Физики из Оксфордского университета с помощью гибридного квантового компьютера воссоздали эффект Ааронова – Бома, при котором частица испытывает влияние магнитного поля, не проходя сквозь него. В ходе эксперимента им удалось полностью остановить движение смоделированной частицы за счёт этого «невидимого» воздействия. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Эффект, предсказанный Якиром Аароновым и Дэвидом Бомом в 1959 году, заключается в том, что у заряженной частицы, движущейся в области вокруг источника магнитного потока, изменяется квантовая фаза. При этом траектория частицы может пролегать там, где само магнитное поле равно нулю. Это одно из явлений квантовой механики, у которого нет прямого аналога в классической физике.
Для моделирования оксфордские учёные построили гибридную квантовую систему. Роль материи в ней играли квантовые осцилляторы, реализованные через колебания захваченных ионов. Роль полей выполняли кубиты, закодированные во внутренних состояниях тех же ионов. Такая архитектура позволила создать простую замкнутую цепь, которая служит базовым элементом для решёточных калибровочных теорий – сложных моделей, описывающих взаимодействие элементарных частиц и фундаментальных сил.
Ключевой особенностью эксперимента стало то, что магнитный поток не задавали как неизменное внешнее условие. Вместо этого его закодировали в запутанном состоянии двух кубитов, отвечающих за поле. Таким образом, магнитное поле стало динамической частью самой квантовой системы и могло взаимодействовать с «материей».
Симуляция показала, что без магнитного потока частица могла свободно перемещаться между двумя точками цепи за счёт квантового туннелирования. Однако когда учёные вводили поток, у частицы появлялось два возможных пути, квантовые фазы которых из-за влияния поля оказывались противоположными. В результате квантовые вклады от обоих путей взаимно гасились в ходе деструктивной интерференции. Это полностью подавляло туннелирование и «замораживало» частицу в исходном состоянии.
Проведённый эксперимент впервые демонстрирует эффект Ааронова – Бома в системе, где и материя, и поле являются взаимодействующими квантовыми компонентами. Результаты подтверждают, что гибридные квантовые компьютеры могут стать эффективным инструментом для изучения фундаментальных взаимодействий, моделирование которых на классических суперкомпьютерах крайне затруднительно.
