Найшвидший в світі квантовий симулятор працює на атомному рівні

Група вчених в складі Кенйі Оморі (Kenji Ohmori), Інститут молекулярних наук, Національні інститут природничих наук, Японія, Меттіаса Веідемюллера (Matthias Weidemuller), університет Гейдельберга, Гуїдо Пупільо (Guido Pupillo), університет Страсбурга і Клауді Гені (Claudiu Genes), університет Інсбрука, створили найшвидший у світі на сьогоднішній день квантовий симулятор.

Динаміка поведінки електронів і їх взаємодії один з одним залежить від безлічі різних фізичних, хімічних факторів і явищ, таких, як надпровідність, магнетизм і хімічні реакції. “Ансамбль” з безлічі взаємодіючих частинок вчені називають “системою з сильною кореляцією” (strongly correlated system). Розуміння принципів функціонування таких систем є однією з головних задач деяких з областей сучасної науки, але якщо скласти математичну модель такої системи і почати її розрахунки на самому з потужних сучасних суперкомп’ютерів прямо зараз, то цей розрахунок займе кілька років.І навіть при цьому складена математична модель не зможе врахувати впливу абсолютно всіх факторів на поведінку квантової системи, якщо кількість частинок в її складі буде перевищувати 30. Для вивчення подібних систем як раз і використовуються квантові симулятори, в яких квантові частинки об’єднуються з систему з сильною кореляцією, властивості якої добре відомі і знаходяться під контролем. Змінюючи властивості цієї системи можна моделювати і вивчати іншу систему, властивості якої поки ще невідомі вченим. Така можливість привертає всіх вчених, що працюють в напрямку досліджень квантових систем, і так звані “квантові симулятори” вже були створені вченими деяких країн, включаючи США, Європу і Китай.

Вищезазначена група вчених розробила квантовий симулятор нового типу, який дозволяє вивчати динаміку системи з сильною кореляцією, що складається з 40 атомів за мільярдні частки секунди. Це стало можливим завдяки використанню лазерів, здатних генерувати короткі імпульси, тривалістю в 100 мільярдних часток секунди (наносекунд). Ці імпульси застосовуються для управління високощільним “ансамблем” атомів, охолоджених до температури близької до абсолютного нуля. Крім цього, вченим вдалося змоделювати поведінку електронів, об’єднаних в систему з сильною кореляцією, штучно змінюючи сили взаємодії між атомами симулятора.

Очікується, що новий квантовий симулятор стане одним з основних інструментів для досліджень походження основних фізичних якостей і властивостей матерії, включаючи магнетизм, надпровідність і інші явища, природу яких учені поки спіткали ще не повністю.