Сегодняшний уровень знаний о квантовой механике позволяет не только
изучать квантовые системы, но и использовать их для исследования
других явлений. Как квантовые симуляторы помогают разгадать загадки
нейтронных звезд и почему они необходимы для развития науки,
ПостНауке рассказал физик Андрей Турлапов.Это материал изгида
Квантовыетехнологии. Партнер гидаАкадемия Росатома.Воссоздать
систему: как работает квантовый симуляторДавайте представим себе,
что у нас есть определенная квантовая система и мы хотим что-то про
нее узнать. Один из способов это сделать взять другую, похожую на
нее квантовую систему, которая проявляет часть свойств изначальной,
но которую легче наблюдать в лабораторных условиях.Иными словами,
создавая квантовый симулятор, мы упрощаем существующую систему,
выделяем самые важные ее свойства и жертвуем теми, которые не
представляют для нас интереса. Получается, квантовый симулятор
неидентичен исходной системе, но в некотором смысле ее
воспроизводит.В чем же принципиальное различие между квантовым
симулятором и квантовым компьютером? Квантовый компьютер, как и
обычный, выполняет некоторый пошаговый алгоритм. У квантового же
симулятора в общем случае никакого алгоритма нет: мы готовим
квантовую систему в каком-то исходном состоянии, а дальше смотрим,
что произойдет. Есть еще одно различие. В наиболее распространенной
на сегодняшний день модели квантового компьютера основными
элементами являются кубиты,1являющиеся двухуровневыми системами. В
квантовом симуляторе подобных требований нет.Сам по себе квантовый
симулятор является одновременно и аналоговым, и цифровым. Так, в
симуляторе происходит непрерывная эволюция: когда он живет своей
внутренней жизнью, ее нельзя разбить на дискретные шаги. В этом
смысле квантовый симулятор аналоговый. Но когда квантовый симулятор
пожил своей жизнью и мы хотим узнать, что же с ним произошло, мы
производим измерения. В квантовой физике при измерении произойдет
дискретизация значений, и в этом смысле квантовый симулятор в
процессе измерения станет цифровым. То есть внутренняя жизнь
симулятора аналоговая, а общение с внешним миром дискретное,
цифровое.По сути, любую квантовую систему можно превратить в
квантовый симулятор, поэтому их виды можно попытаться
систематизировать по физической реализации. Конечно, ограничений
нет, принципиальное количество квантовых систем огромно, но реально
работают несколько. Во-первых, это ультрахолодные атомы они могут
быть симуляторами для разных систем частиц: систем нейтронов на
нейтронной звезде, систем электронов в твердом теле. Есть еще так
называемые искусственные атомы: в твердом теле создаются квантовые
точки, выделенные места, где могут скапливаться электроны, и эти
точки можно рассматривать как квантовые симуляторы атомов. Третья
популярная вещь фотоны, которые тоже можно использовать в качестве
симуляторов других систем.
Зачем нужны квантовые симуляторыЗачем же нужны квантовые
симуляторы, если существуют компьютеры, с помощью которых мы тоже
можем рассчитывать свойства систем? Какие квантовые системы имеет
смысл моделировать на обычном компьютере, а какие с помощью
квантового симулятора?Дело в том, что на обычном компьютере
моделировать свойства квантовых систем тоже очень непросто. Возьмем
одну материальную точку с точки зрения классической физики. Если мы
знаем координату, где точка находится, и скорость, с которойона
летит, то с классической точки зрения мы знаем все об этой точке
иными словами, чтобы ее полностью описать классически, нужно всего
лишь шесть чисел. Если же мы берем материальную точку с точки
зрения квантовой физики, для ее численного моделирования нужно уже
бесконечное количество чисел, потому что она описывается волновой
функцией и нам теперь нужны значения этой функции в каждой точке
пространства. То есть квантовые расчеты с точки зрения обычного
компьютера почти всегда сложны. Конечно, мы вооружены теорией,
которая делает такие вычисления возможными, а не бесконечно
сложными, но в какие-то моменты и теоретические подходы отказывают.
И тогда для выяснения каких-то свойств бывает полезно сделать
квантовый симулятор. Физические платформы при этом могут быть
совершенно разными, поэтому симуляторы подбираются под конкретную
систему, чтобы как можно лучше воспроизвести желаемые свойства
последней.Давайте возьмем максимально простой пример уравнение
Шрёдингера для материальной точки:Мы знаем, что если создать
какой-то волновой пакет (локализованную волновую функцию частицы),
а дальше посмотреть на его эволюцию во времени, то он будет
расплываться. Те, кто хорошо учил электродинамику, знают, что есть
уравнение, точно воспроизводящее уравнение Шрёдингера, уравнение
амплитуды электрического поля для огибающей волнового пакета:И
окажется, что если мы напишем уравнение для огибающей, как она
меняется вдоль направления распространения волнового пакета, то это
уравнение в точности такое же, как уравнение Шрёдингера, только
буквы другие: в частности, вместо времени для частицы будет стоять
координата вдоль направления распространения лазерного луча. Таким
образом, если мы берем лазерную указку, то распространение
лазерного луча в точности воспроизведет эволюцию волнового пакета
материальной точки. Теперь, если мы можем измерять диаметр
лазерного луча в начальной плоскости и в последующей, например, при
помощи фотокамеры телефона, то мы можем узнать, как эволюционирует
волновой пакет квантовой частицы. Таким образом,простейший
квантовый симулятор этой системы лазерная указка и цифровой
фотоаппарат. Это, конечно,тривиальный пример.Симуляторы особенно
полезны, когда нам нужно понять основы какого-либо явления,
например роль квантовых эффектов. Здесь очень интересны работы
Владимира Евгеньевича Фортова. Под его руководством в Объединенном
институте высоких температур наблюдали так называемые плазменные
кристаллы это заряженные пылинки, которые выстраиваются в
кристаллическую решетку. Получался кристалл точно такой же, как в
твердом теле, но гораздо большего размера: частицы выстраивались на
таком расстоянии, что было видно невооруженным глазом. Это можно
рассматривать как классический симулятор, который говорит о том,
что для построения кристалла совершенно необязательна квантовая
физика: кристалл может быть выстроен и в классической системе.
На какие вопросы отвечает квантовый симуляторНапример, мы хотим
изучить сверхпроводник с электрическим током. Казалось бы, почему
бы нам не взять просто сверхпроводник и его изучать? Но квантовый
симулятор может максимально подчеркнуть квантовые свойства
исследуемого процесса, без всех нюансов настоящего сверхпроводника.
Наивысшая температура, при которой наблюдалась сверхпроводимость,
200 К, или -73C1. Аможно ли ещевыше, напримерпри комнатной
температуре? Как ответить на этот вопрос?Можно сделать систему из
нейтральных частиц, в которых тоже будет поток частиц без трения,
то есть будет сверхтекучесть. Сверхтекучесть в этом случае будет
квантовым симулятором для сверхпроводимости.Далее давайте перейдем
из размерных переменных, из температуры в градусах, в естественные
физические переменные. Физически масштаб температуры
сверхпроводимости выражается в долях энергии Ферми. И теперь можно
задать вопрос:какая максимальная доля от энергии Ферми может быть
критической температурой температурой перехода в сверхпроводящее
состояние?Энергия Ферми вообще в твердом теле достаточно большая, 1
электронвольт, то есть примерно 10 тысяч кельвинов. В самых
высокотемпературных сверхпроводниках критическая температура
порядка 1% от энергии Ферми, то есть 100200 К. А можно ли больше?
На этот вопрос Мартин Цверляйн и его коллегииз MIT ответили на
квантовом симуляторе2. Взяли газ атомов при очень низкой
температуре, около нескольких нанокельвинов, чтобы в этом газе
атомов возникло явление сверхтекучести, и посмотрели, при какой
температуре в этом ультрахолодном газе наступает сверхтекучесть.
Так, удалось установить, что в газе атомов можно получить
сверхтекучесть при температуре, равной 17% от энергии Ферми, и это
предел в естественных физических единицах. То есть квантовый
симулятор говорит нам, что в твердом теле при очень большом
везении, при самых оптимальных параметрах можно получить
сверхпроводимость вплоть до 17% от энергии Ферми, а 17% от 10 тысяч
градусов по Кельвину или Цельсию это больше тысячи, что очень
хорошо. Получается, квантовый симулятор позволяет понять самый
максимум, где находится горизонт, выше которого не прыгнуть, но к
которому надо тянуться.Есть и другие интересные примеры квантовых
симуляторов, некоторые помогают изучать нейтронные звезды.
Существовал вопрос: может ли нейтронная материя и вообще материя
фермионов противостоять максимально сильномукороткодействующему
притяжению между фермионами? И на этот вопрос положительно ответил
коллектив Джона Томаса из Северной Каролины (США)3. Другие
квантовые симуляторыпозволяют изучать определенные части Большого
взрыва. Вселенная в момент Большого взрыва была плазмой заряженных
частиц, а дальше эта плазма успокаивалась, нейтрализовывалась,
происходило образование нейтральных атомов. С помощью
ультрахолодной плазмы натрия и кальция (температура 0,1 К) Борис
Зеленер и его товарищи из Объединенного института высоких
температур (ОИВТ) в Москве моделируют горячую плазму ранней
Вселенной, в том числе образование атомов водорода4.Если
возвращаться к вопросу о высокотемпературной сверхпроводимости, то
выше приведен пример с максимальнымупрощением, позволяющий
моделировать сверхпроводимость при помощи сверхтекучести в газе
безо всякой кристаллической решетки. В Российском квантовом центре
группа Алексея Акимова3 занимается важной работой моделированием
сверхпроводимости при помощи сверхтекучести, но уже с
кристаллической решеткой, где еероль в квантовом симуляторе
выполняет свет. У стоячей волны есть минимумы и максимумы, то
естьесли стоячую волну сделать в трех или хотя бы двух
направлениях, то будет уже кристаллическая решетка. А роль
электронов в ней играют атомы, которые движутся в этой
искусственной кристаллической решетке.Недостаток частиц: почему
сложно создать квантовый симуляторСложности технической реализации
квантовых симуляторов типичны для квантового мира. В первую очередь
это сохранение квантовых свойств путем изоляции квантовых частиц от
среды. Например, если мы берем квантовый симулятор на холодных
атомах, то это облако атомов нужно поместить в вакуум примерно того
же уровня, как на Луне (давление10-11 тор), иначе частицы фонового
газа слишком часто ударяют в это облако атомов и лишают их заданных
квантовых свойств. При вакууме в 10-11 тор, конечно, остаются
какие-то частицы, но они уже не чувствуют друг друга: стукаются о
стенки вакуумной камеры, но не стукаются друг о друга, поэтому их
обычным насосом уже не откачать, их надо удалять индивидуально.
Например, в магниторазрядном насосе атом фонового газа влетает в
очень сильный конденсатор, разрывается электрическим полем, и
оторванный электрон летит на одну пластину конденсатора, а ион на
другую.
Другая сложность при создании квантовых симуляторов состоит в том,
что этих частиц для симуляции очень мало. Мы живем в мире, в
котором одно из важных чисел это число Авогадро, то есть количество
частиц в одном моле, и 61023является привычнымзначением. Но взять
61023 частиц и перевести их в квантовое состояние очень сложно.
Например, в газе холодных атомов нужно достаточно большое
расстояние между атомами, порядка 1 микрона, чтобы получился
квантовый симулятор для электронного газа. Если мы берем 61023
атомов с межчастичным расстоянием 1 микрон, то придется делать
облако атомов в виде куба со стороной около сотни метров все равно
чтовзять стадион Лужники, который сейчас закрыт на реконструкцию.
Обычное же число атомов в квантовом симуляторе может быть тысяча,
миллион, и это очень немного уже сказывается то, что это
существенно меньше, чем число Авогадро. Поэтому, например, в
лаборатории ультрахолодных квантовых систем Института прикладной
физики РАН сейчас работают над тем, чтобы в квантовом симуляторе
стало не миллион, а миллиард частиц.Расширяя горизонты
наукиКвантовые симуляторы важны, чтобы максимально обострить
какой-либо эффект, показать горизонт возможностей для класса
похожих квантовых систем. После того как эффект продемонстрирован и
понят, повторно использовать в других исследованиях тот же
симулятор весьма сложно. Поэтому коммерциализация в виде
тиражирования идентичных симуляторов крайне нетривиальна. В то же
время после доработки и перестройки симулятор на основе той же
квантовой системы можно использовать для поиска новых явлений.Кроме
того, любой фундаментальный научный шаг вперед почти всегда создает
что-то полезное. Например, работы о критической температуре
сверхпроводимости, помимо ответа на поставленный вопрос,
увеличивают количество ультрахолодных атомов в системе, что можно
сразу же применять на практике. Например, на газе атомов при
сверхнизкихтемпературахработают наиточнейшие часы, которые, в
частности, служат источником точного времени для нашей страны.
Аналогичные измерители времени используются и в навигационных
системах, например в ГЛОНАСС. Методика увеличения числа
ультрахолодных частиц, разрабатываемая в Институте прикладной
физики РАН, важна для подобных устройств, поскольку чем больше
частиц в газе холодных атомов, тем точнее идут часы, основанные на
нем. Другой побочный эффект от экспериментов с квантовыми
симуляторами на холодных атомах это эффекты квантовой интерференции
материальных волн Де Бройля, на которых можно делать датчики
гравитации, датчики ускорения и гироскопы. Поэтому новые квантовые
симуляторы принесут технологическую пользу уже в ближайшей
перспективе.Что почитатьThomas SchferandDerek Teaney,Nearly perfect
fluidity: from cold atomic gases to hot quark gluon plasmas,
2009Ingo Tews,James M. Lattimer,Akira Ohnishi, andEvgeni E.
Kolomeitsev, Symmetry Parameter Constraints from a Lower Bound on
Neutron-matter Energy, 2017
