В рамках нового проекта по изучению новых областей применения сверхпроводящих резонаторов было обнаружено, что эти системы могут быть использованы для моделирования квантовых материалов, которые невозможно изготовить иным способом. Кроме того, они могут дать представление об открытых и фундаментальных вопросах квантовой механики и гравитации.
Проект Армии США по исследованию новых применений сверхпроводящих резонаторов выявил, что эти системы могут быть использованы для моделирования квантовых материалов, которые невозможно изготовить иным способом. Кроме того, они могут дать представление об открытых и фундаментальных вопросах квантовой механики и гравитации.
Ученые Принстонского университета под руководством профессора электротехники Эндрю Хоука создали электронную сеть на микрочипе, которая имитирует взаимодействия частиц в гиперболической плоскости - геометрической поверхности, на которой космос изгибается от себя в каждой точке.
"Это исследование может способствовать продвижению квантового моделирования таким образом, что позволит нам не только лучше понять материалы, связанные с целями армии, но и поможет нам изучить вопросы, выходящие за рамки других областей, представляющих интерес для армии", - заявила д-р Сара Гэмбл, руководитель программы в Управлении исследований армии, входящем в состав лаборатории исследований военного потенциала командования вооруженных сил США. "В дополнение к потенциальному применению материалов, фантастические результаты, полученные исследовательской группой, могут дать представление о коммуникационных сетях и, в конечном счете, позволить Министерству обороны развивать более эффективные сетевые возможности".
"Проблема в том, что если вы хотите изучать очень сложный квантово-механический материал, то компьютерное моделирование представляет собой очень сложную задачу", - говорит доктор Алисия Коллар, научный сотрудник Принстонского центра сложных материалов, работающая после защиты докторской степени. "Мы пытаемся реализовать модель на аппаратном уровне, чтобы природа делала самую сложную часть вычислений за вас."
Чип размером в сантиметр пронизан цепью сверхпроводящих резонаторов, которые обеспечивают пути перемещения и взаимодействия микроволновых фотонов. Резонаторы на чипе расположены в виде семиугольников или семисторонних полигонов с решетчатой структурой. Структура существует на плоской поверхности, но имитирует необычную геометрию гиперболической плоскости.
"В нормальном трехмерном пространстве гиперболической поверхности не существует", - сказал принстонский электротехник профессор Эндрю Хоук. "Этот материал позволяет нам начать думать о смешении квантовой механики и изогнутого пространства в лабораторных условиях."
Методы исследования
Для моделирования эффекта сжатия гиперболического пространства на плоскую поверхность исследователи использовали специальный тип резонатора, называемый копланарным волноводным резонатором. Когда микроволновые фотоны проходят через этот резонатор, они ведут себя одинаково, идет ли их путь по прямой или извилистой. Извилистая структура резонаторов обеспечивает гибкость при "раздавливании и ударе" по сторонам семиугольников для создания плоской черепицы, сказала Коллар, который начинает преподавательскую деятельность в Университете штата Мэриленд и Объединенном квантовом институте.
Глядя на центральный семиугольник чипа, как будто смотришь через объектив камеры рыбий глаз, в котором объекты на краю поля зрения оказываются меньше, чем в центре - семиугольники выглядят тем меньше, чем дальше они находятся от центра. Такое расположение позволяет микроволновым фотонам, движущимся через резонаторную цепь, вести себя как частицы в гиперболическом пространстве.
Способность чипа моделировать изогнутое пространство может позволить проводить новые исследования в квантовой механике, включая свойства энергии и материи в искривленном пространстве-времени вокруг черных дыр. Материал также может быть полезен для понимания сложных взаимосвязей в математической теории графов и коммуникационных сетях. Коллар отметила, что эти исследования, в конечном счете, помогут в разработке новых материалов.
Но сначала ей и ее коллегам необходимо будет продолжить разработку фотонного материала, как путем дальнейшего изучения его математических основ, так и путем введения элементов, позволяющих фотонам взаимодействовать в схеме.
"Благодаря этим результатам исследовательская группа устанавливает связи с исследователями в других дисциплинах, и добавление фотонных взаимодействий в системы еще больше расширит прикладное пространство для расширения возможностей армии", - сказал Гэмбл.
