Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры
Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет. Просто бабочка слишком уязвима, и любое ваше воздействие изменяет ее вид.
А теперь вообразите бабочку, которая меняет внешний вид от одного вашего взгляда. Именно так ведут себя одиночные электроны в твердом теле. Стоит ученым "посмотреть" на электрон, и его состояние уже отличается от оригинального. Этот факт значительно усложняет изучение физики твердого тела - области науки, которая описывает свойства твердых тел (всех веществ, имеющих кристаллическую решетку) с точки зрения их атомного строения. Создание компьютеров, телефонов и многих других устройств, без которых мы не представляем себе жизнь, является заслугой этого раздела науки.
Если электроны невозможно "увидеть", надо их заменить на что-то более крупное, решили ученые. Кандидаты на место электронов должны сохранять их свойства таким образом, чтобы уравнения, описывающие процессы в твердом теле, оставались неизменными. На эту роль подошли атомы при сверхнизких температурах. В физическом мире температура является аналогом энергии: чем она ниже, тем неподвижнее становится объект. При комнатной температуре атом кислорода в воздухе движется со скоростью несколько сотен метров в секунду, но чем ниже температура, тем меньше его скорость. Минимальной в нашем мире является температура ноль градусов Кельвина, или -273,15 °C.
Ультрахолодные атомы охлаждены до микрокельвина и даже менее, где скорость движения составляет лишь несколько сантиметров в секунду.
Из таких атомов и оптической решетки ученые создали искусственный кристалл, аналогичный по строению природным твердым телам. Сама оптическая решетка, которая берет на себя роль атомарной решетки твердого тела, создается с помощью лазеров, чьи лучи пересекаются под заданными углами. Управляя положением лазеров и их мощностью, можно непрерывно менять геометрию решетки, а путем наложения дополнительного поля переключить взаимодействие между "электронами" с отталкивающего на притягивающее.
Но для проведения экспериментов необходимо управлять движением электронов. Они поддаются воздействию электрического и магнитного полей, так как имеют заряд. Атомы же, замещающие электроны в искусственном кристалле, нейтральны, поэтому необходимо было придумать замену управляющей ими силы. Электрическое поле успешно заменила гравитация, которая отвечает за прямолинейное движение электрона. Однако электроны в магнитном поле закручиваются, их траекторию можно описать как спиралевидную. Поэтому исследователи создали синтетическое магнитное поле, оказывающее на движущиеся атомы такое же действие, как и настоящее магнитное поле, что является главным условием для изучения фундаментальных законов.
Таким образом физики получили возможность изучать свойства любых твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков), экспериментировать с ними и изменять по собственному желанию. Получается, что учеными создан некий "конструктор", - система, симулирующая свойства квантового мира электронов, но, в отличие от него, легко доступная для исследований.
Из "квантового конструктора" можно собрать и другие системы, включая такие, каких в природе не существует. Например, все элементарные частицы делятся на бозоны и фермионы. Бозоны имеют целое спиновое число, а фермионы - полуцелое. Используя изотопы атомов, можно превратить электроны в рассмотренном выше искусственном твердом теле из фермионов в бозоны.
"Помимо задач физики твердого тела, квантовые конструкторы на основе холодных атомов можно использовать и для решения задач из других областей, например физики элементарных частиц, - поясняет главный научный сотрудник лаборатории теории нелинейных процессов Института физики СО РАН и профессор кафедры Теоретической физики Сибирского Федерального Университета, доктор физико-математических наук Андрей Коловский. - Взаимодействие между элементарными частицами осуществляется через так называемые калибровочные поля. Знакомое нам со школы электромагнитное поле, ответственное за взаимодействие между зарядами, является частным случаем калибровочных полей. В принципе, можно смоделировать и другие поля, помимо электромагнитного, и такие исследования уже проводятся. Еще одно направление - астрофизика, где ученые, используя холодные атомы, моделируют термодинамику черных дыр".
Из таких конструкторов можно также собирать и квантовые компьютеры, с помощью которых удобно изучать телепортацию квантовых частиц.
А еще заглянуть в далекое будущее, на 20-40 миллиардов лет вперед, ведь Вселенная постоянно расширяется и, согласно законам термодинамики, ее температура плавно падает. Со временем она охладится до нанокельвинов, а благодаря квантовым симуляторам мы сможем наблюдать ее состояние прямо сейчас.
