Kvantové počítače zatím většina lidí vnímá jako experimentální technologie, která jednou možná zrychlí výpočty. Jenže nová studie ukazuje, že jejich význam sahá mnohem dál - mohou se stát laboratoří pro zcela nový typ fyzikálních objevů.

Tým z Technické univerzity v Mnichově, Princeton University a Google Quantum AI využil kvantový procesor se 58 qubity k experimentu, který potvrdil existenci tzv. Floquet topologicky uspořádaného stavu. Ten byl dosud pouze teoretickou představou, a nyní jej vědci dokázali pozorovat v praxi.

Co vlastně znamená „nový stav hmoty“?

Většina lidí si pod pojmem fáze hmoty představí vodu, která může být ledem, kapalinou nebo párou. Fyzici ale rozlišují i další, mnohem exotičtější fáze - například supravodiče nebo kvantové spinové kapaliny.

Nově pozorovaný stav je však odlišný: Neexistuje v klidu, ale jen tehdy, když je systém neustále „poháněn“ zvenčí. Vědci mluví o neekvilibristických stavech, tedy stavech mimo rovnováhu. Právě zde přichází ke slovu kvantový počítač, který dokáže simulovat chování částic v extrémních podmínkách, které by v klasickém světě nebyly možné.

Zdroj: Shutterstock

Floquetovy systémy a rytmus vesmíru

Když se kvantový systém vystaví periodickému vnějšímu působení, například pulzujícímu magnetickému poli, může vzniknout zvláštní rytmický řád. Tento jev nese jméno Floquetovy systémy.

V experimentu Googlu se podařilo vytvořit stav, který se s časem pravidelně „přeskupuje“, a přesto si zachovává určité topologické vlastnosti. Vědci to popisují jako hmotu, která tancuje podle vlastního rytmu, a zároveň se nikdy nezastaví.

Vidět, co bylo dosud jen teorií

Pomocí nového interferenčního algoritmu dokázali výzkumníci sledovat tzv. směrované okrajové pohyby – charakteristický znak této kvantové fáze. Tyto pohyby dokazují, že systém skutečně přechází do topologicky uspořádaného stavu.

Zásadní je, že se podařilo pozorovat přeměnu exotických částic v reálném čase, což je něco, co dosud existovalo jen na papíře v teoretických rovnicích. Tento jev vědci přirovnávají k tomu, jako kdyby se led a pára střídaly v rytmu hudby, aniž by kdy vznikla voda.

Kvantové počítače jako laboratoře budoucnosti

Podle hlavní autorky studie Melissy Will z TUM ukazuje experiment, že kvantové procesory nejsou jen výpočetní zařízení: „Jsou to experimentální laboratoře pro zkoumání nových stavů hmoty, které klasické počítače nedokážou ani nasimulovat,“ uvedla.

Právě schopnost kvantového počítače bytí v superpozici mnoha stavů současně umožňuje zkoumat situace, které by jinak nebyly dosažitelné ani v největších fyzikálních laboratořích světa.