Квантовые симуляторы — это очень мощная тематика в современной физике, которая берет свое начало в глубинах XX века. Еще Ричард Фейнман в свое время сказал, что если мы не можем рассчитать какую-то сложную квантово-механическую систему, то мы и не должны пытаться это делать. Вместо этого мы можем взять другую систему, попроще, очень похожую на ту, которую мы можем рассчитать, но которую мы можем контролировать, в которой все параметры в наших руках. И в этом случае мы можем промоделировать неизвестную нам систему с помощью известной, выставив параметры на те, которые похожи на неизвестную нам. Это чисто теоретическое утверждение, бесконечно правильное, потому что сложно в этом усомниться. Собственно говоря, в реальной жизни мы это часто используем. Если мы хотим построить самолет, мы не строим сразу самолет во всю его величину, а мы строим макет, испытываем его, смотрим, как он себя ведет, а потом строим большой самолет, проверив на маленькой модели и иногда, может быть, что-то изменив.

Зачем же нам это может быть нужно в квантовой механике? Дело в том, что многие задачи, например, материаловедения до сих пор являются нерешенными. Какие-то материалы мы умеем рассчитывать на основе аналитических моделей, которые мы придумали и которые дают нам хороший результат. Какие-то мы не можем рассчитывать на основании моделей, так как их у нас нет. Но мы можем рассчитывать их численно на компьютерах или суперкомпьютерах. А какие-то не можем рассчитать даже так.

Высокотемпературная сверхпроводимость была обнаружена во второй половине XX века, и она известна до сих пор, но не очень используется по той простой причине, что мы, во-первых, не очень понимаем, как она работает, и, во-вторых, мы не можем решить задачу повышения температуры опять же потому, что не понимаем, как она работает. То есть мы не знаем, что надо сделать, чтобы сверхпроводимость стала иметь большую критическую температуру, при которой мы могли бы ее использовать. Конечно, все хотят, чтобы она работала при комнатной температуре, потому что тогда можно делать летающие поезда и много всяких интересных вещей, многие медицинские приборы могли бы работать совершенно по-другому, но вопрос не решен.

Рекомендуем по этой теме:

Другой такой типичный материал — это магниты. Вроде бы о магнитах нам давно известно, мы их давно-давно используем, но на самом деле многие вопросы, связанные с фазовыми переходами в магнитах и с тем, как они формируются, до сих пор являются нерешенными. По счастью, в природе их много, поэтому мы можем их использовать, не задумываясь о том, что они такое есть. Таких задач насчитывается некоторое количество, я назвал наиболее яркие. На самом деле, когда начинаешь разговаривать с материаловедами, они буквально засыпают тебя задачами, которые до сих пор не решены. Очень многие материалы нужны в космонавтике, там чаще всего вопросы с теплопроводностью выходят на первый план: Солнце очень горячее, и, когда вы на Солнце, ваш космический аппарат очень сильно нагревается, а когда вы в тени, он буквально замерзает. И вопросы остывания, передачи тепла — это вопросы для материаловедов очень важные.

Все эти вопросы надо как-то решать. Суперкомпьютер не помогает, значит, хочется построить что-то другое. И таким чем-то другим в настоящее время (одной из возможных таких платформ) является холодный атом. Хотя люди пытаются использовать и другие вещи, например фотон. Холодные атомы очень хороши тем, что если холодные атомы достаточно охлаждены, температура достаточно низкая, близкая к бозе-эйнштейновской конденсации, то у них появляются волновые свойства. Собственно, бозе-эйнштейновский конденсат как раз температура, при которой расстояние между атомами сравнимо с их длиной волны. А раз появляются волновые свойства, значит, мы имеем такие полностью квантово-механические частицы, которые могут эмулировать свойства других частиц, например электронов в твердом теле. И, таким образом, можно моделировать, например, сверхпроводимость. Естественно, в твердом теле электроны видят какую-то решетку, они видят атомы. А тут мы уже взяли атомы, они не могут видеть другие атомы, вернее, могут, но это будет все совершенно по-другому.

Чтобы заменить чем-то атом, мы используем свет, оптические решетки, которые эмулируют узлы, и, соответственно, атомы эмулируют электроны. Эта деятельность ведется и в нашей лаборатории, да и во всем мире, это довольно популярное направление. И в настоящее время люди уже активно симулируют формирование куперовских пар, формирование фазовых переходов в сверхпроводниках, формирование магнитов, то есть вплотную подходят к тем задачам, для которых, собственно говоря, все это и строилось. Но, как говорится, когда появляется инструмент, находятся люди, которые умеют его использовать. И сегодня квантовые симуляторы уже занимаются не только моделированием каких-то сложных материалов, которые все равно являются довольно сложной задачей, и, хотя квантовые симуляторы помогают их решить, пока это все-таки еще процесс. Мы не можем сказать, что все задачи решили. Появляются новые направления, появляются, например, такие направления, как исследование турбулентностей.

Турбулентность — это тоже сложная задача, и не очень понятно, как ее считать. До сих пор формирование ураганов является вопросом интересным, и метеорологи пытаются со своей стороны как-то решать все эти вопросы, изучая различные природные явления, а физики пытаются подойти со своей стороны, начать изучать турбулентность как некоторое новое явление. Ну, не новое, но тем не менее как некоторое такое обособленное явление: какие у него есть вообще свойства, каким законам подчиняется турбулентность и как с ней, собственно говоря, бороться или, наоборот, ее использовать. Оказывается, что те же самые холодные атомы прекрасно для этого подходят. Вы можете возбуждать в них вихри, вы можете смотреть, как множество вихрей сливаются в один, как они делятся, по каким законам живет турбулентность. И вы можете менять условия, в которых живет эта турбулентность, поскольку это действительно система, в которой все под вашим контролем, вы можете крутить все ручки.

Другое направление, которое стало тоже появляться в последнее время (пока оно еще не очень развито), — это исследование атомного ядра. Казалось бы, какое отношение имеют атомы к атомному ядру? Но все та же самая логика: если вы построили систему, которая похожа на него, вы можете проследить все взаимодействия, помогает и здесь. Можно из холодных атомов, оказывается, построить нечто, что будет очень напоминать по своей структуре атомное ядро, и начать изучать ядерные реакции ультрахолодных атомов, не делая на самом деле никакой ядерной реакции. То есть это гораздо более безопасный способ, гораздо более спокойный, и в то же время можно разобраться в структуре ядра.

Рекомендуем по этой теме:

Апогеем исследований, который появился недавно, является попытка моделирования Большого взрыва, то есть попытка моделирования начала Вселенной. Оказывается, можно использовать холодный атом и для этого. Можно пытаться моделировать, как из вакуума появилась Вселенная, и наблюдать как бы рождение новых звезд, рождение новых вселенных на примере такой, казалось бы, невзрачной системы, как холодный атом. Таким образом, направление квантовых симуляторов очень сильно расширяется в последнее время, охватывает все больше и больше тематик и становится все шире и шире. Пока это все-таки научное направление, то есть пока это огромные установки, которые стоят в лабораториях, каждая из которых решает одну конкретную задачу. Но уже сегодня люди задумываются о том, что когда-то, наверное, захочется, чтобы их смогли использовать в промышленности или как-то использовать в нашей жизни. И конечно, это должно перейти с чего-то такого необъятного в какие-то компактные установки. Процесс в этом направлении идет.

Действительно, люди учатся строить все более и более компактные ловушки, все более и более компактные симуляторы. Безусловно, это не все группы. То есть, конечно, группы, которые занимаются рождением Вселенной, не пытаются сделать очень маленький и компактный аппарат, который будет рождать новую вселенную — не в реальном мире, а в искусственно нами же созданном мире. Но многие люди, которые нацелены на моделирование материалов, работают над тем, как можно компактифицировать эти ловушки. И действительно, они становятся все меньше, меньше и меньше. Уже некоторое время существуют бозе-эйнштейновские конденсаты на чипах, то есть это буквально чип, похожий на микроэлектронику, в котором летают холодные атомы, и вся установка занимает буквально десятки сантиметров. Постепенно появляются и оптические решетки, и многие другие системы, позволяющие сделать весь этот симулятор все более и более компактным. Конечно, холодный атом — это не единственная платформа, на которой можно делать моделирование. В принципе, любую частицу, которую вы можете хорошо контролировать, можно использовать. Атомы в этом смысле уникальны, поскольку атомы-то мы как раз и научились хорошо контролировать.

Тем не менее люди говорят, что это выбор атомных физиков, можно придумать и другие системы, как я уже упоминал, можно использовать фотоны. И даже в Москве у нас есть попытки построения квантовых симуляторов на фотонах. Задачи, которые можно решать на фотонах, довольно ограниченны, но, с другой стороны, система, как бы контроль света, тоже что-то, с чем мы работаем давно. Мы умеем отражать свет, делить свет, смешивать. Довольно много операций умеем делать со светом, поэтому эта область сама по себе очень интересна, и вполне возможно, что число задач, которые мы можем решить с помощью атомов, увеличится. И постепенно начинают приходить в область квантовых симуляций и спиновые системы, в том числе в алмазе и других материалах. Здесь интерес представляет возможность, грубо говоря, имплантировать большое количество спинов. Спины — это тоже квантово-механические системы, как бы миниатюрные такие магнитики, которые живут в твердом теле. И если в данном случае чаще всего их все-таки приходится действительно охлаждать физически, с помощью криостатов, то тем не менее, если построить ансамбль из таких спинов, можно тоже строить какие-то модели, можно попытаться моделировать те или иные проблемы.

Рекомендуем по этой теме:

В последнее время все большее внимание привлекает деятельность, связанная с квантовыми симуляторами на основе сверхпроводимости. Для этого есть, конечно, большое публичное основание, связанное с деятельностью компании D-Wave, которая, по сути дела, и разрабатывает нечто вроде квантового симулятора, конкретную машину, решающую одну задачу оптимизации. Не утихают споры по поводу того, насколько она квантовая. Видимо, она не вполне квантовая, но это не мешает ей решать поставленные перед ней задачи, в основном задачу поиска меню. Но это не единственная возможность. Так называемые адиабатические квантовые вычисления, которые делает компания D-Wave, — это не единственное, что можно сделать. Сама возможность создавать аналоги спинов на сверхпроводящих цепях привлекает большое внимание и к тому, чтобы строить квантовые симуляторы на основе сложных сверхпроводящих цепей. Таким образом, квантовые симуляторы, начавшись с холодных атомов, в настоящее время начинают охватывать все больше и больше областей физики, постепенно переходят в область практических приборов, хотя они еще до этого не дошли, и начинают даже заниматься вопросами формирования Вселенной.

Если вы хотите узнать больше об атомах в квантовой физике, записывайтесь на субботний интенсив Алексея Акимова «Искусственные атомы и их приложения», который состоится 20 августа в Академии ПостНауки.