Спонтанное нарушение симметрии — это концепция, встречающаяся во всех областях физики и играющая решающую роль в формировании сложных структур. Она помогает лучше объяснять законы сохранения. Большая часть физических явлений происходит при нарушении симметрии. Наблюдение спонтанного нарушения симметрии при температурах, близких к абсолютному нулю, давно интересовало ученых, пишет IE. Однако достичь этого трудно, поскольку при такой температуре система становится неподвижной.

В такой ситуации на помощь приходит моделирование. Его могут выполнить классические компьютеры, но с ограниченным успехом. Температура в этих моделях никогда не достигает абсолютного нуля, а обработка результатов требует очень много времени.

Тогда как классический компьютер пытается решать эту задачу линейно, квантовый может использовать несколько подходов одновременно, увеличивая темп вычислений в геометрической прогрессии. По словам исследователей, это как пытаться подобрать подходящий к замку ключ. В то время как классический компьютер перебирает ключи по одному за раз, квантовый — благодаря феномену суперпозции — пробует несколько ключей одновременно.

В ходе совместной работы ученых из Института фундаментальной физики, Федерального университета Сан-Карлуса, Орхусского университета и Южного университета науки и технологий Шэньчжэня были использованы сверхпроводящие кубиты на основе сплавов алюминия и ниобия, которые работают при температурах около одного милликельвина. Они разработали квантовую схему из семи кубитов, которая допускала взаимодействие только с непосредственными соседями, а затем применяла алгоритм для моделирования изменений при температуре абсолютного нуля.

В начале система находилась в классическом антиферромагнитном состоянии, в котором частицы имели спины в противоположных направлениях. Затем она эволюционировала в ферромагнитное квантовое состояние, в котором частицы указывали в одном направлении и устанавливали квантовые отношения. Этот фазовый переход можно отнести к спонтанному нарушению симметрии, заявил Алан Сантос, один из участников эксперимента.

Запутанность была подтверждена методом измерения энтропии Реньи, которая дает количественную оценку запутанности подсистем.

«Ключевым моментом было моделирование динамики при нулевой температуре. Ранее уже проводились исследования этого типа перехода, но всегда при температурах, отличных от нуля. Мы показали, что, установив температуру на ноль, можно наблюдать нарушение симметрии даже в локальных взаимодействиях частиц между соседями первого порядка», — сказал Сантос.

Поскольку орбиты внутренних планет Солнечной системы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса — хаотичны, и в теории они должны были давно столкнуться друг с другом. Исследование симметрии объясняет, почему этого до сих пор не произошло.