Det är fastställt att materia kan övergå mellan olika faser när vissa parametrar, som temperatur, ändras. Även om fasövergångar är vanliga (som att vatten förvandlas till is i en frys), dynamiken som styr dessa processer är mycket komplex och utgör ett framträdande problem inom området för obalansfysik.

När ett system genomgår en fasövergång, materia i den nya fasen har många möjliga energiskt lika ”konfigurationer” att anta. I dessa fall, olika delar av systemet antar olika konfigurationer över regioner som kallas "domäner". Gränssnittet mellan dessa domäner kallas topologiska defekter och att minska antalet bildade defekter kan vara oerhört värdefullt i många tillämpningar.

En gemensam strategi för att minska defekter är att underlätta systemet genom fasövergången långsamt. Faktiskt, enligt "Kibble-Zurek" -mekanismen (KZM), det förutses att det genomsnittliga antalet defekter och körtiden för fasövergången följer en universell kraftlag. Dock, experimentellt testa KZM i ett kvantsystem har förblivit ett eftertraktat mål.

I en ny studie publicerad i Fysisk granskningsforskning , ett team av forskare under ledning av professor emeritus Hidetoshi Nishimori från Tokyo Institute of Technology, Japan, undersökte KZM:s giltighet i två kommersiellt tillgängliga kvantglödgare, en typ av kvantdator utformad för att lösa komplexa optimeringsproblem. Dessa enheter, känd som D-Wave annealers, kan återskapa kontrollerbara kvantsystem och styra deras utveckling över tid, tillhandahålla en lämplig experimentell testbädd för KZM.

Först, forskarna kontrollerade om "kraftlagen" mellan det genomsnittliga antalet defekter och glödgningstiden (körtiden för fasövergången) som KZM förutspådde för ett kvantmagnetiskt system som kallas "en-dimensionell tvärfält Ising-modellen." Denna modell representerar orienteringarna (snurrar) för en lång kedja av "magnetiska dipoler, "där homogena regioner separeras av defekter som ses som angränsande snurr som pekar i fel riktningar.

Medan den ursprungliga förutsägelsen för KZM om det genomsnittliga antalet defekter var giltig i detta system, forskarna tog det ett steg längre:även om denna förlängning av KZM ursprungligen var avsedd för ett helt "isolerat" kvantsystem som inte påverkas av externa parametrar, de fann en god överensstämmelse mellan dess förutsägelser och deras experimentella resultat även i D-Wave-glödgningsmedel, som är "öppna" kvantsystem.

Upphetsad av dessa resultat, Prof Nishimori säger:"Vårt arbete tillhandahåller det första experimentella testet av universell kritisk dynamik i ett öppet kvantsystem med många kroppar. Det utgör också det första testet av viss fysik utöver det ursprungliga KZM, ge starka experimentella bevis på att den generaliserade teorin håller utöver giltighetsregimen teoretiskt etablerad. "

Denna studie visar potentialen för kvantglödgare att utföra simuleringar av kvantsystem och hjälper också till att få insikt om andra fysikområden. I detta avseende, Prof Nishimori säger:"Våra resultat utnyttjar kvantglödgningsanordningar som plattformar för att testa och utforska gränserna för obalansfysik. Vi hoppas att vårt arbete kommer att motivera ytterligare forskning som kombinerar kvantglödgning och andra universella principer inom fysik utan balans." Förhoppningsvis, denna studie kommer också att främja användningen av kvantglödgare i experimentell fysik. Trots allt, vem gillar inte att hitta ett nytt verktyg för ett verktyg?