Идея аналогового моделирования заключается в том, чтобы изучать интересующую ученых систему с помощью другой, которой удобнее управлять. В рассматриваемом подходе информацию записывают в волновых состояниях, а их изменение используют для моделирования физических процессов. Для развития таких устройств недостаточно научиться управлять каждым элементом по отдельности: нужно также создавать и контролировать связи между ними. Именно эту задачу и решали физики.
В качестве элементов будущего симулятора исследователи выбрали поляритонные конденсаты. Экситон-поляритоны возникают, когда свет в полупроводниковом микрорезонаторе сильно взаимодействует с электронными возбуждениями вещества — экситонами. Получаются квазичастицы, сочетающие свойства света и вещества. При подходящей лазерной подпитке множество поляритонов образует конденсат — коллективное состояние, которое можно описывать как согласованное волновое поле.
Ученые обратились именно к такой системе потому, что ее квантовым состоянием можно управлять лазерными импульсами, а сведения о нем — получать по испускаемому свету. При этом носителем информации служит не отдельная квазичастица, а конденсат целиком.
Для записи информации физики выбрали два пространственно локализованных конденсата. В каждом из них поляритоны образуют две области высокой плотности, поэтому распределение напоминает гантель. Эти «гантели» ориентированы по-разному: вдоль одной или другой оси овальной ловушки. Одно состояние условно обозначили нулем, другое — единицей. Работа опубликована в журнале physica status solidi (b).
Эти состояния можно накладывать друг на друга, получая суперпозицию. Так возникает аналог кубита: информация связана с соотношением заселенностей двух квантовых состояний и разностью их фаз — тем, насколько колебания одного состояния опережают колебания другого.
В более ранних экспериментах, на которые опирались исследователи, одним таким конденсатом уже научились управлять. Из-за овальной формы ловушки два выбранных базисных состояния немного различались по энергии, а их интерференция вызывала колебания.
Направляя лазерные импульсы в определенные точки, ученые меняли частоту, размах и фазу этих колебаний.
В новой работе физики рассчитали, как управлять совместным состоянием двух конденсатов.
Ученые рассмотрели два конденсата в соседних овальных ловушках с туннельной связью, позволяющей их волновым состояниям взаимодействовать. Описание пары аналоговых кубитов ограничили четырьмя комбинациями: 00, 01, 10 и 11. Затем рассчитали, как меняется их суперпозиция под действием света.
Расчеты выполнили в приближении среднего поля: каждый конденсат описывали как целостный объект, двухуровневую квантово-механическую систему. В обобщенном уравнении Шредингера для двух таких систем учли не только удерживающие поляритоны ловушки, но и потери поляритонов, а также их постоянное поступление из двух отдельных резервуаров экситонов. Эти резервуары тоже изменялись со временем, поэтому их поведение рассчитывали вместе с поведением конденсатов.
В предложенной схеме использовали два коротких световых импульса, воздействующих на области левой и правой ловушек. Они создавали дополнительные облака экситонов, которые отталкивали поляритоны. Так исследователи намеренно изменяли условия движения поляритонов в обеих ловушках и управляли совместным состоянием конденсатов.
Положение световых пятен определяло, какие участки конденсатов испытывали отталкивание. Поскольку два выбранных состояния имеют разное пространственное распределение, одно и то же воздействие меняло их неодинаково. Подбирая точки приложения импульсов, исследователи меняли соотношение этих состояний и разность их фаз. В расчетах они искали положения, при которых совместное состояние двух конденсатов становилось максимально неразделимым.
В рассмотренном примере свет создавал локальные возмущения характерной шириной около одного микрометра — 0,001 миллиметра.
В начале расчета общее состояние системы задавалось независимыми состояниями двух конденсатов. После воздействия импульсов такое описание уже не подходило: совместное квантовое состояние нельзя было представить как произведение двух отдельных состояний — по одному для каждого конденсата. Эту неразделимость ученые называют классической полевой запутанностью.
Ее степень оценивали с помощью особого параметра, негативности: в выбранной модели этот показатель изменился от нуля до значения, близкого к максимально возможному — 0,5. Таким образом, в компьютерной модели исследователи получили классический волновой аналог запутанного состояния двух кубитов. Такой результат показывает возможность управлять совместным состоянием двух элементов будущего поляритонного симулятора.
Практический смысл предложенной схемы в том, чтобы перейти от управления отдельными элементами к операциям над их парами. В перспективе такие операции могут стать частью поляритонных симуляторов, в которых поведение сложной системы воспроизводится через управляемую динамику волн.
Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ так прокомментировала результаты работы: «Мы разработали экспериментально осуществимый и относительно простой подход к получению классически запутанного состояния двух поляритонных кубитов, необходимого для создания поляритонной платформы аналогового моделирования».