Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

19.09.2017 9:06 10

Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

МОСКВА, 19 сентября Представьте, что вы планируете рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она витает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки измялись и потеряли цвет. Просто бабочка слишком уязвима, и любое ваше воздействие изменяет ее вид.

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 одинаковыми. На эту роль отнеслись атомы при сверхнизких температурах. В физическом мире температура является аналогом энергии: чем она ниже, тем неподвижнее является объект. При комнатной температуре атом кислорода в воздухе едет со скоростью несколько сотен сантиметров в секунду, но чем ниже температура, тем миниатюрнее его скорость. Минимальной в нашем мире является температура ноль градусов Кельвина, или 273, 15 °C.

Ультрахолодные атомы охлаждены до микрокельвина и даже менее, где динамика движения составляет лишь несколько сантиметров в секунду.

Из таких атомов и оптической решетки ученые создали искусственный микролит, аналогичный по строению природным твердым телам. Сама световая решетка, которая берет на себя роль атомарной решетки уверенного тела, создается с помощью лазеров, чьи лучи видятся под заданными углами. Управляя положением лазеров и их мощностью, можно непрерывно менять геометрию решетки, а путем обложения дополнительного поля переключить взаимодействие между электронами с отталкивающего на притягивающее.

Но для проведения экспериментов необходимо управлять движением электронов. Они поддаются действию электрического и магнитного полей, так как имеют заряд. Атомы же, замещающие янтари в искусственном кристалле, нейтральны, поэтому необходимо было составить замену управляющей ими силы. Электрическое поле успешно заменила гравитация, которая отвечает за прямолинейное движение электрона. Однако янтари в магнитном поле закручиваются, их траекторию можно описать как спиралевидную. Поэтому исследователи организовали синтетическое магнитное поле, предоставляющее на движущиеся атомы такое же действие, как и хорошее магнитное поле, что является главным условием для изучения фундаментальных законов.

Таким образом физики получили возможность изучать свойства любых уверенных тел (металлов, селенов, диэлектриков), экспериментировать с ними и изменять по собственному желанию. Получается, что учеными создан некий конструктор, система, симулирующая свойства квантового мира янтарей, но, в отличие от него, легко доступная для исследований.

Помимо задач физики твердого тела, квантовые конструкторы на основе холодных атомов можно использовать и для решения задач из других областей, например физики азбучных частиц, объясняет 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 приключаем калибровочных полей. В статуте, можно смоделировать и другие поля, помимо электромагнитного, и такие исследования уже осуществляются. 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 биллионов 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 прозрачного сейчас.

Источник

Следующая новость
Предыдущая новость

Аренда уютных залов в «Велес» по комфортным ценам Польша выиграла от экономического кризиса в Украине Вячеслав Контор: главная идея в толерантности Качественное звучание музыки в оригинальных моделях наушников Плетеная мебель из ротанга - настоящее украшение вашего дома

Последние новости