Американские физики сообщили о новом подходе к созданию жидкого света. Он заключается в медленном переходе от неупорядоченной к упорядоченной цепочке Бозе — Хаббарда, сформированной из трансмонных кубитов. Авторы населяли кубиты микроволновыми фотонами и следили за тем, как меняются их свойства в результате «плавления». Измерения, проведенные в опыте, хорошо согласуются с жидкостными квантовыми моделями.
Задачи о взаимодействии многих тел можно считать самыми сложными в физике. Проблемы начинаются уже при трех телах в классической механике. Вместе с тем понимание множества феноменов в физике конденсированного состояния — сверхпроводимости, сверхтекучести, моттовских изоляторов и многого другого — требует именно такого подхода. Однако сложные процессы невозможно просчитать не только аналитически, но и численно.
И тогда на помощь физикам приходят квантовые симуляции. Это эксперименты с разнообразными частицами, которые испытывают взаимодействие многих тел в условиях более высокой степени контроля, чем та, что доступна в экспериментах с конденсированными средами. В роли таких тел могут выступать самые разные частицы: атомы, фотоны и даже квазичастицы.
Синтетические фазы материи, образованные взаимодействующими частицами, часто требуется готовить в некотором равновесном состоянии. В случае с микроволновыми фотонами, живущими в резонаторе, эффективным оказывается проектирование низкоэнтропийных резервуаров и связывание мод с ними через резонансные фильтры. Однако этот метод плохо работает для подготовки сжимаемых фаз, то есть фаз с высокой плотностью состояний частиц, например, квантовых жидкостей.
Чтобы получить фотонную жидкость, Брендан Саксберг (Brendan Saxberg) и его коллеги из Чикагского университета, применили другой подход. Они населяли фотонами разупорядоченную решетку, после чего адиабатически выравнивали условия для каждой из ячеек. Авторы обнаружили признаки квантовой жидкости у состояний фотонных ансамблей, получившихся в результате такого процесса.
В квантовой механике многих тел понятие жидкости понимается в более широком смысле. Так называют фазу, для которой характерно избегание или отталкивание частиц, а также их делокализация без образования упорядоченной структуры. Свободные фотоны не подходят на эту роль, поскольку они подчиняются бозонной статистике. Но если запереть свет в нелинейной среде, то за счет настройки ее свойств можно управлять фотон-фотонным взаимодействием в нужном ключе.
В роли такой среды выступили семь трансмонных кубитов, связанных друг с другом в цепочку благодаря емкостной связи. Эта связь разрешает туннелирование микроволновых фотонов с кубита на кубит, а ангармоничность трансмонов разрешает эффективное взаимодействие фотонов. Таким образом, физики реализовали одномерную модель Бозе — Хаббарда.
Чтобы внести беспорядок в систему, авторы случайным образом сдвигали энергию каждого кубита, индуктивно связывая их с линиями смещения потоков. Величина смещения была много больше, чем сила связи между соседними ячейками, что замораживало фотоны на кубитах в начальной конфигурации. Протокол эксперимента заключался в достаточно медленном «плавлении» решетки, то есть снятии всех смещений, так, чтобы сохранялась связь между начальной конфигурацией и состоянием цепочки в «расплавленном» состоянии. Для измерения последнего, физики связывали каждый кубит с нерезонансным копланарным волноводным резонатором, менявшим свои свойства в зависимости от населенности трансмона.
На первом этапе физики «плавили» один фотон, населяя им ту или иную ячейку. Как и ожидалось, при адиабатическом снятии беспорядка его состояние превращалось в состояние типа «частица в ящике», то есть стоячую волну с узлами на краях цепочки. При этом энергия конечного состояния была связана с тем, какова была энергия кубита, где фотон был локализован в начале эксперимента. Затем авторы разворачивали протокол «плавления», медленно восстанавливая беспорядок. При достаточно больших временах фотон возвращался в исходный кубит практически целиком.
После чего ученые проводили экспериментами с несколькими фотонами. Если фотонов было ровно семь — по одному на каждый трансмон, — система превращалась в моттовских изолятор, так как отталкивание фотонов препятствовало какому-либо транспорту. При меньшем же числе фотонов система подчинялось модели Тонкса — Жирардо, основное состояние которой имеет форму Бейла — Ястрова. В частности, волновые функции фотонов были делокализованы вдоль всей цепочки, но при этом демонстрировали характерное избегание.
Измерение пространственной корреляции и запутанности оказались в хорошем согласии с моделированием, подтверждая жидкие свойства коллективного фотонного состояния. При этом измеряемые величины демонстрировали симметрию типа «частица-дырка». Другими словами, поведение системы с шестью фотонами можно было бы описать как одну вакансию, распространяющуюся на фоне полностью заполненного семью фотонами изолятора.