Классические компьютеры не подходят для решения новых фундаментальных задач в области физики и не только. В будущем учёным могут с этим помочь универсальные и устойчивые к ошибкам квантовые компьютеры, но такие появятся ещё нескоро. Однако если задачу нельзя просчитать, то почему бы не заняться экспериментами? Аналоговый квантовый симулятор может стать конструктором квантового мира, который поможет вскрывать самую загадочную физику за гранью теории.
Источник изображения: University College Dublin
Исследователи из Стэнфордского университета в США и Университетского колледжа Дублина (UCD) в Ирландии в журнале Nature Physics опубликовали работу, в которой рассказали о создании нового типа высокоспециализированного аналогового компьютера (точнее — симулятора). Учёные представили один элемент такого «компьютера» — два соединенных особым образом наноразмерных металло-полупроводниковых компонента, встроенных в электронную схему (см. фото выше).
Предложенное решение имитирует взаимодействие двух элементарных частиц, в данном случае — атомов и электронов. Имитация настолько глубокая, что модель сохраняет все квантовые свойства атомов от межатомного взаимодействия до физических свойств частиц. Масштабируя платформу — выстраивая вещество атом к атому, как конструктор из кубиков «Лего» — можно добиваться моделирования материи с заданными свойствами и смотреть на её реакцию при взаимодействии с другой материей и на изменение её свойств. Рассчитать такое на масштабной модели сегодня не представляется возможным, а симуляции такое по плечу.
Например, физики-теоретики пока не видят закономерностей для целенаправленного поиска материалов для высокотемпературной сверхпроводимости. Современные компьютеры не могут им помочь в расчётах, тем более что искать приходится вслепую. Моделирование поведения вещества на аналоговых квантовых симуляторах могло бы открыть путь к этому священному Граалю для энергетики и не только. Это позволит отставить теорию в сторону и проверить множество идей на практике.
Собственно, аналоговые квантовые симуляторы нового типа могут помочь в продвижении к универсальным квантовым компьютерам. К примеру, есть идея в качестве кубитов использовать такие квазичастицы, как парафермионы (группы электронов при особом взаимодействии). Заряды электронов в таком состоянии (Z3) равны 1/3 от обычного заряда. В лабораторных условиях учёные ещё не создавали такие частицы, а предложенная модель симулятора позволила их имитировать после соответствующей настройки напряжения на электродах. Фактически учёные в лаборатории создали материю, которой до этого в природе не было. И ведь её можно изучить после этого!
«Увеличив масштаб квантового симулятора с двух до многих наноразмерных компонентов, мы надеемся, что сможем моделировать гораздо более сложные системы, с которыми не могут справиться современные компьютеры, — сказал один из авторов работы. — Это может стать первым шагом к окончательному раскрытию некоторых из самых загадочных тайн нашей квантовой вселенной».