• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
01.02.2023
Василий Парфенов
2 471

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
Позавчера, 12:12
Игорь Байдов

Не успели утихнуть разговоры об испытании нового британского лазерного оружия, как правительство этой страны выпустило очередной пресс-релиз, в котором рассказало о работе над еще одной установкой против беспилотников. Эксперты считают, что это оружие — альтернатива дорогостоящим ракетам. Стоимость выстрела из него составит чуть больше 10 центов.

Позавчера, 11:04
Ольга Иванова

Умение пользоваться орудиями труда у морских выдр известно давно, однако реальную пользу для их организма измерить непросто. Американские ученые впервые узнали, какие преимущества дает выдрам такой подход. Особенно это касается самок.

Вчера, 11:18
Полина Меньшова

При гипертонии пациентам рекомендуют аэробные тренировки, включающие в себя, например, ходьбу, бег, танцы, езду на велосипеде. Но такая физическая нагрузка положительно влияет на артериальное давление только в вечернее время, выяснили физиологи из Бразилии и США.

Позавчера, 12:12
Игорь Байдов

Не успели утихнуть разговоры об испытании нового британского лазерного оружия, как правительство этой страны выпустило очередной пресс-релиз, в котором рассказало о работе над еще одной установкой против беспилотников. Эксперты считают, что это оружие — альтернатива дорогостоящим ракетам. Стоимость выстрела из него составит чуть больше 10 центов.

13 мая
Дарья Г.

Нужна ли темная материя для объяснения движения космических тел? Видимо, все же нужна. Астрофизики попробовали «помирить» альтернативную гипотезу с наблюдениями в окрестностях Солнечной системы и даже внутри нее — с орбитой Сатурна. Для фанатов MOND результаты оказались неутешительными.

Позавчера, 11:04
Ольга Иванова

Умение пользоваться орудиями труда у морских выдр известно давно, однако реальную пользу для их организма измерить непросто. Американские ученые впервые узнали, какие преимущества дает выдрам такой подход. Особенно это касается самок.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[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
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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: