Некоторые из самых интересных тем современной физики, такие как высокотемпературные сверхпроводники и некоторые предложения по квантовым компьютерам, сводятся к экзотическим вещам, которые происходят, когда эти системы колеблются между двумя квантовыми состояниями.

К сожалению, понимание того, что происходит в этих точках, известных как квантовые критические точки, оказалось сложной задачей. Математика часто слишком сложна для решения, и современные компьютеры не всегда справляются с задачей моделирования того, что происходит, особенно в системах с сколько-нибудь заметным числом задействованных атомов.

Теперь исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и их коллеги сделали шаг к созданию альтернативного подхода, известного как квантовый симулятор . Хотя новое устройство на данный момент только моделирует взаимодействие между двумя квантовыми объектами, исследователи утверждают в статье, опубликованной 30 января в журнале Nature Physics, что его можно относительно легко масштабировать. Если это так, исследователи могли бы использовать его для моделирования более сложных систем и начать отвечать на некоторые из самых мучительных вопросов в физике.

«Мы всегда создаем математические модели, которые, как мы надеемся, отражают суть интересующих нас явлений, но даже если мы считаем, что они верны, их часто невозможно решить за разумное время» с помощью современных методов. сказал Дэвид Голдхабер-Гордон, профессор физики в Стэнфорде и исследователь из Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES). По его словам, на пути к квантовому симулятору «у нас есть такие ручки, которых раньше не было ни у кого».

Острова в море электронов

Основная идея квантового симулятора, по словам Голдхабер-Гордон, похожа на механическую модель солнечной системы, где кто-то крутит рукоятку, а взаимосвязанные шестерни вращаются, изображая движение Луны и планет. Считается, что такой «оррери», обнаруженный в месте кораблекрушения более 2000 лет назад, позволил количественно предсказать время затмения и расположение планет в небе, а аналогичные машины использовались даже в конце 20-го века для математических расчетов, которые были слишком сложными. для самых передовых цифровых компьютеров того времени.

Подобно разработчикам механической модели солнечной системы, исследователи, создающие квантовые симуляторы, должны убедиться, что их симуляторы достаточно хорошо соответствуют математическим моделям, которые они должны моделировать.

Для Гольдхабера-Гордона и его коллег многие интересующие их системы — системы с квантовыми критическими точками, такие как некоторые сверхпроводники, — могут быть представлены как атомы одного элемента, расположенные в периодической решетке, встроенной в резервуар подвижных электронов. Атомы решетки в таком материале все идентичны, и все они взаимодействуют друг с другом и с окружающим их морем электронов.

Чтобы моделировать такие материалы с помощью квантового симулятора, в симуляторе должны быть заменители атомов решетки, которые почти идентичны друг другу, и они должны сильно взаимодействовать друг с другом и с окружающим резервуаром электронов. Систему также необходимо каким-то образом настраивать, чтобы экспериментаторы могли изменять различные параметры эксперимента, чтобы получить представление о моделировании.

Большинство предложений по квантовому моделированию не отвечают всем этим требованиям одновременно, сказал Уинстон Поуз, аспирант лаборатории Гольдхабера-Гордона и первый автор статьи по физике природы. «На высоком уровне есть ультрахолодные атомы, где атомы совершенно идентичны, но реализовать сильную связь с резервуаром сложно. Затем есть симуляторы на основе квантовых точек, где мы можем добиться сильной связи, но сайты не идентичны», — сказал Поус.

Гольдхабер-Гордон сказал, что возможное решение возникло в работе французского физика Фредерика Пьера, который изучал наноразмерные устройства, в которых металлический островок располагался между специально сконструированными пулами электронов, известными как двумерные электронные газы. Затворы, управляемые напряжением, регулировали поток электронов между бассейнами и металлическим островом.

Изучая работу Пьера и его лаборатории, Поуз, Гольдхабер-Гордон и их коллеги поняли, что эти устройства могут соответствовать их критериям. Островки — заменители атомов решетки — сильно взаимодействовали с окружающими их электронными газами, и если бы единственный остров Пьера был расширен до кластера из двух или более островков, они также сильно взаимодействовали бы друг с другом. Металлические островки также имеют гораздо большее количество электронных состояний по сравнению с другими материалами, что приводит к усреднению любых существенных различий между двумя разными невидимыми крошечными блоками одного и того же металла, что делает их фактически идентичными. Наконец, систему можно было настраивать с помощью электрических проводов, контролирующих напряжение.

Простой симулятор

Команда также поняла, что, объединив металлические острова Пьера в пары, они могут создать простую систему, которая должна отображать что-то вроде интересующего их квантового критического явления.

Оказалось, что одной из самых сложных частей было создание устройств. Во-первых, основные контуры схемы должны быть наноскопически выгравированы в полупроводниках. Затем кто-то должен положить и расплавить крошечную каплю металла на нижележащую структуру, чтобы создать каждый металлический остров.

«Их очень сложно сделать», — сказал Поус об устройствах. «Это не суперчистый процесс, и важно обеспечить хороший контакт» между металлом и лежащим в его основе полупроводником.

Несмотря на эти трудности, команда, чья работа является частью более широких усилий в области квантовой науки в Стэнфорде и SLAC, смогла построить устройство с двумя металлическими островками и исследовать, как электроны двигаются через него в различных условиях. Их результаты совпали с расчетами, которые заняли недели на суперкомпьютере, намекая на то, что они, возможно, нашли способ исследовать квантовые критические явления гораздо эффективнее, чем раньше.

«Хотя мы еще не создали универсальный программируемый квантовый компьютер с достаточной мощностью, чтобы решить все открытые проблемы в физике», — сказал Эндрю Митчелл, физик-теоретик из Центра квантовой инженерии, науки и технологий Дублинского университетского колледжа (C -QuEST) и соавтор статьи: «Теперь мы можем создавать аналоговые устройства на заказ с квантовыми компонентами, которые могут решать конкретные задачи квантовой физики».

В конце концов, сказал Голдхабер-Гордон, команда надеется создавать устройства со все большим количеством островков, чтобы они могли моделировать все более и более крупные решетки атомов, фиксируя основные свойства реальных материалов.

Однако сначала они надеются улучшить конструкцию своего двухостровного устройства. Одна из целей состоит в том, чтобы уменьшить размер металлических островов, что могло бы улучшить их работу при доступных температурах: передовые сверхнизкотемпературные «холодильники» могут достигать температуры до пятидесятой доли градуса выше абсолютного нуля, но это было едва ли достаточно холодно. для эксперимента, который исследователи только что закончили. Другая заключается в разработке более надежного процесса создания островков, чем просто капание расплавленных кусочков металла на полупроводник.

Но как только такие перегибы будут устранены, считают исследователи, их работа может заложить основу для значительного прогресса в понимании физиками определенных видов сверхпроводников и, возможно, даже более экзотической физики, такой как гипотетические квантовые состояния, которые имитируют частицы с лишь дробью. заряда электрона.

«Одна вещь, которую мы разделяем с Дэвидом, — это признательность за тот факт, что проведение такого эксперимента вообще стало возможным», — сказал Поус, и на будущее: «Я, безусловно, взволнован».