Фазовые переходы, такие как замерзание воды в лёд, — привычное явление. Однако в квантовых системах они могут проявляться ещё более драматично, где ключевую роль играют квантовые свойства, включая принцип неопределённости Гейзенберга. Особый интерес представляют «диссипативные фазовые переходы» (ДФП), возникающие, когда система теряет энергию в окружающую среду. Эти переходы переводят квантовые системы в новые состояния, открывая путь к управлению их поведением в неравновесных условиях — сфере, где традиционная термодинамика бессильна.

ДФП делятся на два типа. Переходы первого порядка напоминают резкое переключение между состояниями, как щелчок выключателя. Второй порядок характеризуется плавным, но глубоким изменением симметрии системы — её глобального свойства. Понимание этих процессов важно для создания стабильных квантовых компьютеров и сенсоров: например, переходы второго порядка могут улучшить хранение квантовой информации, а первого — раскрыть механизмы управления системами.

Св ерхпровод ящая резонаторная схема для исследования диссипативных фазовых переходов Источник: Guillaume Beaulieu, CC BY-SA 4.0

Теоретически ДФП предсказывали такие явления, как бистабильность и «критическое замедление», подчиняющиеся степенным законам. Однако их экспериментальное наблюдение, особенно для переходов второго порядка, оставалось сложнейшей задачей.

 Группе исследователей под руководством профессора Паскуале Скарлино из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) удалось преодолеть этот барьер. Результаты работы стали возможны благодаря созданию сверхпроводящего керровского резонатора — устройства с управляемыми квантовыми свойствами.

Резонатор был модифицирован для генерации двухфотонного возбуждения, направляющего пары фотонов в систему. Это позволило контролировать её квантовое состояние и детально изучать фазовые переходы. Эксперименты проводились при температурах, близких к абсолютному нулю, что минимизировало фоновые шумы. Керровский резонатор усиливал тонкие квантовые эффекты, недоступные для наблюдения в традиционных установках.

С помощью сверхчувствительных детекторов учёные отслеживали поведение фотонов, испускаемых резонатором. Для анализа фазовых переходов применялись продвинутые математические методы, включая спектральные свойства супероператора Лиувилля — инструмента, моделирующего сложные квантовые процессы.

В переходах второго порядка команда зафиксировала «сжатие» — снижение квантовых флуктуаций ниже уровня фонового шума вакуума. Это указывает на переход системы в высокочувствительное состояние. В случае переходов первого порядка наблюдались чёткие гистерезисные циклы: система могла существовать в двух состояниях в зависимости от параметров настройки. Также были обнаружены метастабильные состояния, где система временно сохраняла стабильность перед резким переходом.

Важным открытием стало «критическое замедление» в обоих типах переходов — замедление реакции системы вблизи критических точек, соответствующее теоретическим предсказаниям н а основе теории Лиувилля. Это подтверждает универсальность фазовых переходов и открывает возможности для повышения точности квантовых измерений.

«Наша работа демонстрирует, как тесное с отрудничество теории и эксперимента приводит к результатам, недостижимым для каждой из сторон по отдельности», — подчеркнул Гийом Болё, ведущий автор исследования. 

Открытия в области ДФП прокладывают путь к проектированию квантовых систем с уникальной стабильностью и откликом. Это может революционизировать квантовые вычисления, улучшив коррекцию ошибок, и создать сверхчувствительные сенсоры.

Подробнее на iXBT