В новом исследовании ученые из Университета Аалто в Финляндии продемонстрировали, как три квантовых вихря могут быть связаны таким образом, что их нельзя будет разобрать. Любопытно, что структура ссылок напоминает узор, использовавшийся викингами и другими древними культурами. Но к истории исследование не имеет отношения, и было сосредоточено на вихрях в особой форме материи, известной как конденсат Бозе-Эйнштейна. Полученные результаты имеют значение для квантовых вычислений, физики элементарных частиц и других областей.
Принципы существования структуры проще объяснить, используя струны и водяные вихри. Если вы сделаете структуру связи, скажем, из трех неразорванных нитей, расположенных по кругу, вы не сможете ее распутать, потому что нить не может пройти через другую нить. Если, с другой стороны, такая же круглая структура создана в воде, водяные вихри могут столкнуться и слиться, если они не защищены. В конденсате Бозе-Эйнштейна структура связи находится где-то посередине.
Исследователи математически продемонстрировали существование структуры связанных вихрей, которые не могут развалиться из-за своих фундаментальных свойств. Новым элементом здесь является то, что ученые смогли математически сконструировать три разных вихря потока, которые были связаны, но не могли проходить друг через друга без топологических последствий. Если вихри проникают друг в друга, на пересечении образуется шнур, который связывает вихри вместе и потребляет энергию. Это означает, что конструкция не может легко разрушиться.
Структура концептуально похожа на кольца Борромео, узор из трех взаимосвязанных кругов, который широко использовался в символике и в качестве герба. Символ викингов, называемый валькнутом, который иногда ассоциируется с Одином, имеет три треугольника, соединенных аналогичным образом. Если один из кругов или треугольников удалить, весь узор растворится, потому что оставшиеся два не связаны напрямую. Таким образом, каждый элемент связывает двух своих партнеров, стабилизируя структуру в целом.
Математический анализ в этом исследовании показывает, как такие же надежные структуры могут существовать между узловатыми или связанными вихрями. Такие структуры могут наблюдаться в определенных типах жидких кристаллов или систем конденсированных сред и могут влиять на поведение и развитие этих систем.
Эти результаты могут однажды помочь сделать квантовые вычисления более точными. В топологических квантовых вычислениях логические операции будут выполняться путем сплетения различных типов вихрей друг вокруг друга различными способами.
Авторы работы говорят, что одна и та же теоретическая модель может использоваться для описания структур во многих различных системах, таких как космические струны в космологии. Используемые в исследовании топологические структуры также соответствуют вакуумным структурам в квантовой теории поля. Таким образом, результаты могут также иметь значение для физики элементарных частиц.
В скором времени исследователи планируют теоретически продемонстрировать существование узла в конденсате Бозе-Эйнштейна, который будет топологически защищен от растворения в экспериментально возможном сценарии.
