Создан самый быстрый в мире квантовый симулятор, работающий на атомарном уровне - «Наука и технологии»

Группа ученых в составе Кенйи Омори (Kenji Ohmori), Институт молекулярных наук, Национальные институт естественных наук, Япония, Мэттиаса Веидемюллера (Matthias Weidemuller), университет Гейдельберга, Гуидо Пупильо (Guido Pupillo), университет Страсбурга и Клауди Гене (Claudiu Genes), университет Инсбрука, создали самый быстрый в мире на сегодняшний день квантовый симулятор. Этот симулятор является системой, при помощи которой можно производить моделирование динамики квантово-механического взаимодействия большого количества частиц. При этом, время моделирования этих взаимодействий находится в пределах миллиардных долей секунды.

Динамика поведения электронов и их взаимодействия друг с другом зависит от множества различных физических, химических факторов и явлений, таких, как сверхпроводимость, магнетизм и химические реакции. "Ансамбль" из множества взаимодействующих частиц ученые называют "системой с сильной корреляцией" (strongly correlated system). Понимание принципов функционирования таких систем является одной из главных задач некоторых из областей современной науки, но если составить математическую модель такой системы и начать ее расчеты на самом из мощных современных суперкомпьютеров прямо сейчас, то этот расчет займет несколько лет.

И даже при этом составленная математическая модель не сможет учесть влияния абсолютно всех факторов на поведение квантовой системы, если количество частиц в ее составе будет превышать 30. Для изучения подобных систем как раз и используются квантовые симуляторы, в которых квантовые частицы объединяются с систему с сильной корреляцией, свойства которой хорошо известны и находятся под контролем. Изменяя свойства этой системы можно моделировать и изучать другую систему, свойства которой пока еще неизвестны ученым. Такая возможность привлекает всех ученых, работающих в направлении исследований квантовых систем, и так называемые "квантовые симуляторы" уже были созданы учеными некоторых стран, включая США, Европу и Китай.

Вышеупомянутая группа ученых разработала квантовый симулятор нового типа, который позволяет изучать динамику системы с сильной корреляцией, состоящую из 40 атомов за миллиардные доли секунды. Это стало возможным благодаря использованию лазеров, способных генерировать короткие импульсы, длительностью в 100 миллиардных долей секунды (наносекунд). Эти импульсы применяются для управления высокоплотным "ансамблем" атомов, охлажденных до температуры близкой к абсолютному нулю. Кроме этого, ученым удалось смоделировать поведение электронов, объединенных в систему с сильной корреляцией, искусственно изменяя силы взаимодействия между атомами симулятора.

Ожидается, что новый квантовый симулятор станет одним из основных инструментов для исследований происхождения основных физических свойств и параметров материи, включая магнетизм, сверхпроводимость и другие явления, природу которых ученые пока постигли еще не полностью.