En grupp forskare ledda av Johannes Fink från Institutet för vetenskap och teknologi Österrike (IST Österrike) rapporterade den första experimentella observationen av en första ordningens fasövergång i ett dissipativt kvantsystem. Fasövergångar inkluderar sådana fenomen som frysning av vatten vid den kritiska temperaturen på 0 grader Celsius. Dock, fasövergångar förekommer också på kvantmekanisk nivå, där de fortfarande är relativt outforskade av forskare.

Ett exempel på en fasövergång på kvantnivå är fotonblockadens sammanbrott, som upptäcktes för bara två år sedan. Under fotonblockad, en foton fyller en kavitet i ett optiskt system och hindrar andra fotoner från att komma in i samma kavitet tills den lämnar, blockerar därför flödet av fotoner. Men om fotonflödet ökar till en kritisk nivå, en kvantfasövergång förutsägs:fotonblockaden bryts ner, och systemets tillstånd ändras från ogenomskinlig till transparent. Denna specifika fasövergång har nu observerats experimentellt av forskare som, för första gången, uppfyllde de mycket specifika villkor som krävs för att studera denna effekt.

Under en fasövergång, kontinuerlig justering av en extern parameter, till exempel temperatur, leder till en övergång mellan två robusta steady states med olika attribut. Första ordningens fasövergångar kännetecknas av en samexistens av de två stabila faserna när styrparametern ligger inom ett visst område nära det kritiska värdet. De två faserna bildar en blandad fas där vissa delar har slutfört övergången och andra inte har, som i ett glas som innehåller isvatten. De experimentella resultaten som Fink och hans medarbetare kommer att publicera i tidskriften Fysisk granskning X ge insikt i den kvantmekaniska grunden för denna effekt i en mikroskopisk, nolldimensionellt system.

Deras uppställning bestod av ett mikrochip med en supraledande mikrovågsresonator som fungerade som kaviteten och några supraledande qubits som fungerade som atomer. Chipet kyldes till en temperatur häpnadsväckande nära absoluta nollpunkten – 0,01 Kelvin – så att termiska fluktuationer inte spelade någon roll. För att producera ett flöde av fotoner, forskarna skickade sedan en kontinuerlig mikrovågston till ingången av resonatorn på chippet. På utgångssidan, de förstärkte och mätte det överförda mikrovågsflödet. För vissa ineffekter, de upptäckte en signal som växlade stokastiskt mellan noll överföring och full överföring, bevis på den förväntade samexistensen av båda faserna hade inträffat. "Vi har observerat denna slumpmässiga växling mellan ogenomskinlig och transparent för första gången och i överensstämmelse med teoretiska förutsägelser, säger huvudförfattaren Johannes Fink från IST Österrike.

Potentiella framtida tillämpningar inkluderar minneslagringselement och processorer för kvantsimulering. "Vårt experiment tog exakt 1,6 millisekunder att slutföra för en given ineffekt. Den motsvarande numeriska simuleringen tog ett par dagar på ett nationellt superdatorkluster. Detta ger en uppfattning om varför dessa system kan vara användbara för kvantsimuleringar, " förklarar Fink.

Johannes Fink kom till IST Österrike 2016 för att starta sin arbetsgrupp om Quantum Integrated Devices. Huvudsyftet med hans grupp är att utveckla och integrera kvantteknologi för chipbaserad beräkning, kommunikation, och avkänning.