Физики показали, как магнитное поле останавливает движение частицы, хотя она вообще не соприкасается с ним. В эксперименте два возможных пути частицы сложились так, что взаимно погасили друг друга — и туннелирование полностью прекратилось.

Квантовый компьютер. Физики смоделировали эффект Ааронова — Бома на гибридном квантовом компьютере. Источник: Freepik

Квантовая физика нередко подкидывает парадоксы, которые кажутся почти магией: объект реагирует на воздействие, хотя напрямую с ним не соприкасается. Именно такой эффект продемонстрировали физики из Оксфордского университета, смоделировав эффект Ааронова — Бома на гибридном квантовом компьютере. Речь идет о ситуации, когда частица, обходя область с магнитным потоком, меняет свою квантовую фазу, даже не попадая в зону действия самого поля.

В эксперименте исследователи не просто воспроизвели известный эффект, а пошли дальше: они закодировали магнитный поток в динамическом калибровочном поле, сделав его частью единой квантовой динамики вместе с материей. Для этого использовали гибридную систему на основе захваченных ионов. Кубиты, встроенные во внутренние электронные состояния ионов, представляли калибровочные поля, а квантовые осцилляторы, отвечающие за колебания ионов, моделировали материю. Соединив два генератора материи с помощью кубитов, ученые сформировали элементарный цикл — базовый блок калибровочной теории решетки.

"Для нас самым захватывающим шагом было закодировать магнитный поток в калибровочном поле, которое само по себе является динамическим. Вместо того чтобы рассматривать материю как эволюционирующую на фиксированном фоне, мы сделали материю и калибровочное поле частью одной и той же квантовой динамики." - Себастьян Санер, ведущий исследователь и постдокторант Оксфордского университета

Ключевым результатом опыта стало полное подавление туннелирования частицы между двумя точками. Без магнитного потока частица свободно перемещалась между ними, но при включении потока два возможных пути движения вступали в деструктивную интерференцию — их фазы складывались так, что движение фактически исчезало, и система возвращалась в исходное состояние. Это наглядно показало, как косвенное влияние поля способно радикально менять поведение квантового объекта.

Туннелирование. Ключевым результатом опыта стало полное подавление туннелирования частицы между двумя точками. Источник: Unsplash

Эксперимент важен не только как демонстрация фундаментального эффекта: он открывает путь к моделированию сложных взаимодействий, которые практически невозможно просчитать на классических компьютерах. Подобные квантовые симуляции позволяют изучать калибровочные теории решетки и другие механизмы, лежащие в основе фундаментальных сил природы. Работа опубликована в журнале Nature Physics и демонстрирует, как гибридные квантовые архитектуры становятся мощным инструментом для исследования самых тонких явлений микромира.