Один из первых квантовых симуляторов продемонстрировал загадочное явление: ряд атомов, который периодически возвращается к упорядоченному состоянию. Физики наперегонки пытаются объяснить происходящее.

Пройдёт достаточно времени, и даже в самой прибранной комнате возникнет беспорядок. Одежда, книги и бумаги покинут своё упорядоченное состояние и рассеются по полу. И, что раздражает, эта тенденция к беспорядку отражает закон природы: беспорядок стремится расти.

Если, к примеру, вы вскроете баллон аквалангиста под давлением, молекулы воздуха внутри него вылетят наружу и разлетятся по комнате. Поместите кубик льда в горячую воду, и молекулы воды, замёрзшие в упорядоченной кристаллической решётке, разорвут свои связи и рассредоточатся. При смешивании и распределении система стремится к равновесию с окружающей средой, что называется термализацией.

Это распространённый и интуитивно понятный эффект, который и ожидали увидеть физики, выстроившие 51 атом рубидия в ряд, и удерживающие их на месте при помощи лазеров. Атомы начинали с упорядоченной структуры, и переключались между «основным» состоянием с минимальной энергией и возбуждённым состоянием. Исследователи предположили, что эта система быстро термализуется: чередование основных и возбуждённых состояний почти сразу успокоится в виде некоей беспорядочной последовательности.

Сначала последовательности действительно получались беспорядочными.

Но затем, к удивлению учёных, они возвращались к первоначальной перемежающейся последовательности. После дополнительного перемешивания атомы опять вернулись к изначальной конфигурации.

Состояния перемежались туда и обратно с частотой несколько раз в микросекунду – ещё долго после того, как система должна была термализоваться.

Всё выглядело так, будто вы уронили кубик льда в горячую воду, а он не просто растаял, сказал Михаил Лукин, физик из Гарвардского университета и лидер группы учёных.

«Мы видим, как лёд тает, а потом кристаллизируется, потом тает, и снова кристаллизируется, — сказал он. – Это нечто весьма необычное».

Физики прозвали это странное поведение «многочастичным квантовым рубцеванием».

Атомы, судя по всему, несут в себе отпечаток прошлого, будто бы какой-то шрам, что заставляет их возвращаться к оригинальной конфигурации снова и снова.

За 16 месяцев, прошедших с момента публикации работы в журнале Nature, несколько групп физиков попытались разобраться в природе этих квантовых шрамов. Некоторые считают, что это открытие может открыть новую категорию взаимодействия и поведения квантовых частиц, отрицающую предположения физиков о том, что такая система неумолимо движется к термализации. Кроме того, эффект рубцевания может привести к созданию новых видов квантовых битов длительного хранения, являющихся ключевыми ингредиентами будущих квантовых компьютеров.