Исследователи делают шаг к новым квантовым симуляторам

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 1 февраля 2023 г., 17:35:45 MSK
  • 0 комментариев
  • 28 просмотров
В случае успешного масштабирования новая система команды может помочь ответить на вопросы об определенных видах сверхпроводников и других необычных состояниях материи.

Некоторые из самых захватывающих тем в современной физике, такие как высокотемпературные сверхпроводники и некоторые предложения для квантовых компьютеров, сводятся к экзотическим вещам, которые происходят, когда эти системы колеблются между двумя квантовыми состояниями.

К сожалению, понять, что происходит в этих точках, известных как квантовые критические точки, оказалось непросто. 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 и их коллеги сделали шаг к созданию альтернативного подхода, известного как квантовый симулятор. Хотя новое устройство на данный момент только имитирует взаимодействия между двумя квантовыми объектами, исследователи утверждают в статье, опубликованной 30 января в Физика природы 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, будут отражать суть интересующих нас явлений, но даже если мы считаем, что они верны, они часто не поддаются разрешению за разумный промежуток времени", - сказал Дэвид Голдхабер-Гордон, профессор физики в Стэнфорде и один из научный сотрудник Стэнфордского института наук о материалах и энергии (SIMES). Говоря о пути к квантовому симулятору, он сказал: "У нас есть такие ручки для поворота, которых раньше ни у кого не было".

Острова в море электронов

Основная идея квантового симулятора, по словам Голдхабер-Гордон, в некотором роде похожа на механическую модель солнечной системы, где кто-то поворачивает рукоятку, и взаимосвязанные шестерни вращаются, представляя движение Луны и планет. Считается, что такая "система координат", обнаруженная в результате кораблекрушения, произошедшего более 2000 лет назад, позволила получить количественные прогнозы времени затмений и расположения планет на небе, и аналогичные машины использовались даже в конце 20-х годов.th века для математических вычислений, которые были слишком сложны для самых передовых цифровых компьютеров того времени.

Подобно разработчикам механической модели солнечной системы, исследователи, создающие квантовые симуляторы, должны убедиться, что их симуляторы достаточно хорошо согласуются с математическими моделями, которые они предназначены для моделирования.

Для Голдхабера-Гордона и его коллег многие из интересующих их систем - систем с квантовыми критическими точками, таких как определенные сверхпроводники, - можно представить 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 морем электронов, окружающих их.

Чтобы моделировать подобные материалы с помощью квантового симулятора, в симуляторе должны быть резервные элементы для атомов решетки, которые почти идентичны друг другу, и они должны сильно взаимодействовать друг с другом и с окружающим резервуаром электронов. Система также должна быть каким-то образом настраиваемой, чтобы экспериментаторы могли изменять различные параметры эксперимента, чтобы получить представление о моделировании.

Большинство предложений по квантовому моделированию не отвечают всем этим требованиям сразу, сказал Уинстон Поуз, аспирант лаборатории Голдхабера-Гордона и первый автор Физика природы бумага. "На высоком уровне существуют ультрахолодные атомы, где атомы в точности 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 Поуз.

Голдхабер-Гордон сказал, что возможное решение возникло в работе французского физика Фредерика Пьера, который изучал наноразмерные устройства, в которых островок металла располагался между специально разработанными пулами электронов, известными как двумерные электронные газы. Вентили, управляемые напряжением, регулировали поток электронов между пулами и металлическим островком.

Изучая работу Пьера и его лаборатории, Поуз, Голдхабер-Гордон и их коллеги поняли, что эти устройства могут соответствовать их критериям. Островки - дублеры 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 значительно большее количество электронных состояний по сравнению с другими материалами, что приводит к усреднению любых существенных различий между двумя различными незаметно крошечными блоками одного и того же металла, что делает их фактически идентичными. Наконец, система была перестраиваемой с помощью электрических проводов, которые контролировали напряжение.

Простой симулятор

Команда также поняла, что, объединив металлические островки Пьера, они могли бы создать простую систему, которая должна отображать что-то вроде интересующего их квантово-критического явления.

Оказалось, что одной из самых сложных частей было собственно создание устройств. Во-первых, основные контуры схемы должны быть наноскопически выгравированы на полупроводниках. Затем кто-то должен нанести и расплавить крошечный кусочек металла на нижележащую структуру, чтобы создать каждый металлический островок.

"Их очень трудно изготовить", - сказал Поуз об этих устройствах. "Это не очень чистый 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 создать устройство с двумя металлическими островками и исследовать, как электроны перемещаются через него в различных условиях. Их результаты совпали с вычислениями, которые заняли недели на суперкомпьютере, намекая на то, что они, возможно, нашли способ исследовать квантовые критические явления гораздо эффективнее, чем раньше.

"Пока мы еще не создали универсальный программируемый квантовый компьютер с достаточной мощностью, чтобы решить все открытые проблемы физики", - сказал Эндрю Митчелл, физик-теоретик из Центра квантовой инженерии, науки и технологии Дублинского университетского колледжа (C-QuEST) и соавтор в статье говорится: "теперь мы можем создавать индивидуальные аналоговые устройства с квантовыми компонентами, которые могут решать конкретные задачи квантовой физики".

В конечном счете, по словам Голдхабер-Гордон, команда надеется создавать устройства со все большим количеством островков, чтобы они могли имитировать все большие и большие решетки атомов, улавливая основные особенности поведения реальных материалов.

Однако сначала они надеются улучшить дизайн своего устройства с двумя островками. Одна из целей состоит в том, чтобы уменьшить размер металлических островков, что могло бы улучшить их работу при доступных температурах: ультрасовременные "холодильники" с ультранизкой температурой могут достигать температуры до пятидесятой градуса выше абсолютного нуля, но этого едва хватило для эксперимента, который исследователи только что закончили. Другой способ заключается в разработке более надежного процесса создания островков, чем капание расплавленных кусочков металла на полупроводник.

Но как только подобные перегибы будут устранены, полагают 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 зарядом всего лишь в несколько раз меньше заряда электрона.

"Одна вещь, которую мы с Дэвидом разделяем, - это признательность за тот факт, что проведение такого эксперимента вообще было возможно", - сказал Поуз, и на будущее: "Я, безусловно, взволнован".

Исследование финансировалось главным образом Управлением науки Министерства здравоохранения, а на ранних стадиях поддерживалось Фондом Гордона и Бетти Мур.

Комментарии

0 комментариев