• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
01.02.2023
Василий Парфенов
2 525

Поиском новых сверхпроводников займется квантовый аналоговый компьютер

3.8

Вычислительная мощь современных суперкомпьютеров колоссальна, однако по-прежнему существуют задачи, которые им не по зубам. Например, математические модели квантовых явлений даже для систем из десятков элементов невероятно сложны, а чтобы совершать прорывы в физике, порой требуются симуляции сотен и тысяч частиц одновременно. На помощь могут прийти аналоговые компьютеры, моделирующие различные квантовые эффекты.

Квантовый аналоговый компьютер
Сканирующая электронная микроскопия квантовой аналоговой ячейки. Трехлучевые структуры в центре — «острова», светло-серые области — подложка, темно-серые области — внутреннее пространство затворов, которое при работе заполняется двумерным электронным газом / ©https://doi.org/10.1038/s41567-022-01905-4 / Автор: Telestis Scaevinius

Чтобы прогнозировать движение небесных тел, можно создать подробную физико-математическую модель, учитывающую все возможные гравитационные взаимодействия интересующих нас астрономических объектов. Задача понятная и решаемая, но требует знаний по астрономии, физике, математике и немалых вычислительных мощностей. Это мы сейчас избалованы производительными персональными компьютерами, легко запускающими симуляторы Солнечной системы.

А всего полвека назад объективно проще было сделать механическую модель, в которой периоды обращения планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет определялись бы передаточным соотношением шестерней. Как ни странно, такие макеты запросто оказывались точнее числовых симуляций, поскольку последние приходилось делать с определенными упрощениями. Это и есть принцип аналогового компьютера — построить эквивалент с нужными физическими свойствами, когда на решение этой же задачи требуется слишком много вычислительных ресурсов микроэлектроники.

Такой трюк можно провернуть и с квантовыми явлениями, но аналог потребуется сделать таким, чтобы в нем они тоже проявлялись. Он по-прежнему будет требовать сверхнизких температур и определенных ухищрений, чтобы с ним было удобно работать.

Но можно не биться над сложностями с поддержанием состояния кубитов в «истинно квантовых системах». При этом сохраняется возможность симулировать состояния таких систем. И потенциальная эффективность подобного «квантового аналогового компьютера» несравнимо ниже, чем у «классического» суперкомпьютера в вопросах моделирования микромира.

Первый в истории строительный кирпичик «квантового аналогового компьютера», который потенциально можно использовать для создания целого чипа из множества типовых элементов, разработали в США. Лавры первопроходцев на этом поприще принадлежат международной команде исследователей из Стэнфорда (США) и Университета Париж-Сакле (Франция), а также Университетского колледжа Дублина (Ирландия). Научная работа с описанием теоретической модели «квантового симулятора» и его экспериментального прототипа опубликована в рецензируемом журнале Nature Physics. Статья в закрытом доступе, с текстом ее препринта можно ознакомиться на портале arXiv.org.

Квантовый аналоговый компьютер
Схема квантовой аналоговой ячейки: желто-зеленые — «острова» из металла и полупроводника; красные линии — области квантового эффекта Холла; голубые и синие области — двумерный электронный газ с разными свойствами; черные и серые структуры — квантовые точечные контакты; зеленые структуры — контролирующие затворы. В ходе эксперимента использовались только верхний и центральный контакты (черные), так что у разработки есть еще не проверенная степень свободы / ©https://doi.org/10.1038/s41567-022-01905-4

Созданная исследователями структура фактически готова для масштабирования, технологический процесс для ее «печати» можно адаптировать для промышленности по аналогии с фотолитографией. Она представляет собой два металлических «острова», которые контролируются через два затвора, к ним подводятся два квантовых точечных контакта. Внутри каждого из них формируется двумерный вырожденный электронный газ, параметрами которого можно управлять. Получившаяся ячейка может занимать два заряженных состояния, служащих аналогом полуцелого спина симулируемого элемента квантовой системы.

Что самое интересное, еще до того, как разработку попробовали применить в качестве полноценного аналогового компьютера из нескольких таких элементов, она уже помогла совершить открытие в квантовой физике. Во время эксперимента исследователи смогли получить новое состояние материи — электроны всего с одной третьей частью их нормального заряда. Такие частицы называются Z3 парафермионами, и ранее их существование предсказывалось теоретически.

Потенциальная польза от «квантового аналогового компьютера» для современной науки неоценима. В первую очередь ученые надеются с его помощью найти новые сверхпроводящие материалы. Даже если они не будут высокотемпературными, то есть требовать охлаждения «всего лишь» до минус 77 градусов Цельсия, это уже станет прорывом.

На современном уровне значительную часть рассчитанных имеющимися моделями сверхпроводников в лаборатории получили, прогресс застопорился. А более совершенные модели требуют экспоненциального роста вычислительной мощности суперкомпьютеров для обсчета.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
16 мая
Елизавета Александрова

В остатках протопланетного диска совсем недавно родившейся солнцеподобной звезды HD 181327 подтвердилось наличие смешанного с пылью водяного льда. По мнению астрономов, это скопление вещества — прямой аналог околосолнечного каменно-ледяного Пояса Койпера. Это доказывает, что другие звездные системы тоже бывают богаты водой.

Вчера, 16:02
Березин Александр

Экс-спикер Минобороны Армении Арцрун Ованнисян в эфире армянского Общественного телевидения решил «развеять миф» о Второй мировой войне. В частности, он заявил, что выигрыш Сталинградской битвы был не спасением для страны. Напротив, если бы немцы победили, уверен он, была бы создана объединенная историческая Армения — куда вошли бы земли, сегодня удерживаемые Турцией. Так ли все было на самом деле?

8 часов назад
Редакция Naked Science

Крис Фалкенберг (Chris Falkenberg) — концепт-дизайнер и цифровой иллюстратор из США, чьи работы создают эффект погружения в далёкие миры, высокотехнологичные цивилизации и воображаемые космические сценарии. Его художественный стиль сочетает точность технического рендеринга с кинематографичной атмосферой.

Вчера, 16:02
Березин Александр

Экс-спикер Минобороны Армении Арцрун Ованнисян в эфире армянского Общественного телевидения решил «развеять миф» о Второй мировой войне. В частности, он заявил, что выигрыш Сталинградской битвы был не спасением для страны. Напротив, если бы немцы победили, уверен он, была бы создана объединенная историческая Армения — куда вошли бы земли, сегодня удерживаемые Турцией. Так ли все было на самом деле?

14 мая
Андрей

Споры вокруг выделения антропоцена в самостоятельную геологическую эпоху не утихли после официального отказа Международного союза геологических наук, наоборот, разожглись сильнее. Шведские геологи, придерживаясь логики союза, решили оценить легитимность других периодов кайнозойской эры и выяснили, что доказательства в пользу голоцена слабее, чем у антропоцена. Если идти дальше, то и половину ступеней кайнозоя можно откинуть.

15 мая
Татьяна

В Бразилии проживает более 200 миллионов человек, немалую долю которых занимают потомки иммигрантов. Колонизация с XV по XX века считается самым масштабным переселением народов в истории. Порядка пяти миллионов человек переселились туда из Европы. Столько же насильно переместили с Африканского континента. Сегодня бразильцы — это наиболее генетически разнородная нация, и одна из самых малоизученных. Поэтому неудивительно, что новая работа по результатам полногеномного анализа населения принесла целый ряд открытий.

6 мая
Редакция Naked Science

Да, с волосами и люком все так. У космонавта Суниты Уильямс волосы на МКС плавали свободно, а у Кэти Пэрри и прочих в полете 14 апреля 2025 года — нет. Но это не значит, что суборбитального космического полета первого чисто женского экипажа не было или что он был инсценировкой. Причем, в общем-то, чтобы понять это, даже не нужно обладать специальными знаниями.

6 мая
Березин Александр

Мощнейшее отключение электроэнергии за последние 20 лет истории Европы случилось уже неделю назад, а испанские власти пока так и не объявили о его причинах. Это логично: как мы покажем ниже, ответ на вопрос, кто виноват, получится очень неполиткорректным. И, более того, противоречащим линии правящей в Испании партии. Но мы живем за тысячи километров от нее, поэтому можем себе позволить аполитичный анализ случившегося. Так что же произошло на самом деле и каковы наши шансы увидеть подобное у себя дома?

2 мая
Unitsky String Technologies Inc.

Инженеры компании UST Inc. разработали передовой рельсовый беспилотник, способный передвигаться на скорости до 500 километров в час. Юнибус U5-75304 предназначен для перевозки пассажиров и может в перспективе заменить среднемагистральную авиацию. Давайте узнаем, как конструктивные особенности обеспечивают продолжительное движение на больших скоростях, комфорт и безопасность пассажирам.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Закрыть
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно