Квантовый симулятор – это относительно простая квантовая физическая система, в которой воспроизводятся основные свойства значительно более сложных систем. Приведу насущный пример.
Очень часто вещество в твердой фазе обладает кристаллической решеткой. Такая структура может возникнуть благодаря различным видам химической связи, но всегда будет давать одно и то же следствие – состояние каждого электрона или иона будет определяться его взаимодействием со всеми остальными частицами в решетке, причем частично такое взаимодействие будет иметь электрическую, а частично квантовую природу. Несмотря на общее понимание причин формирования кристаллической решетки, из-за колоссального числа связей для такой системы невозможно построить мало-мальски полную модель, на основе которой можно было бы вести расчеты. На практике всегда приходится упрощать до момента, когда компьютеры начинают справляться.
Альтернативным решением может быть симуляция, когда ученые создают под исследуемый объект упрощенную систему, которая позволяет разобраться с каким-то отдельным аспектом его свойств в рамках эксперимента, а не расчетов. Именно такую систему-симулятор создали в Институте молекулярных наук Национального института естественных наук Японии для того, чтобы реализовать квантовую модель динамики многих тел в случае, когда преобладает электрическое взаимодействие. Симулятор представляет собой некую экзотическую фазу материи в виде гибрида между газообразным и металлическим рубидием – идея в том, что атомы газа возбуждают внешним воздействием до такого состояния, в котором электронные волновые функции перекрываются, как это происходит и в твердом теле.
Эксперимент проводился с ансамблем из 30 000 атомов, охлажденных практически до абсолютного нуля с помощью лазера. Эти ультрахолодные атомы в энергетически низком квантовом состоянии (бозе-конденсат) поместили в кубическую решетку из оптических ловушек, образованных встречными лазерными лучами. В результате из атомов получился искусственный микрокристалл с периодом решетки в 0,5 мкм. Затем кристалл облучили ультракоротким лазерным импульсом, атомы перешли в возбужденное состояние Ридберга, и их электронные орбитали начали перекрывать друг друга. Как только орбитали наложились друг на друга, атомы начали делить слабо связанные ридберговские электроны, а вся система перешла в металлоподобный режим квантового газа.
Конечно, такой газ не будет панацеей в квантовой симуляции. Но с учетом вычислительных проблем, возникающих при моделировании реальных веществ, новая экспериментальная площадка наверняка пригодится в исследованиях физических свойств материи.
И еще замечу: вообще, конечно, удивительно много новых интересных видов материи появляется в последнее время. Видимо, современная наука выходит на некий новый качественный уровень, что не может не радовать.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
