Проблему многих тел доверили квантовому симулятору

Группа японских ученых под руководством Кенжи Омори разработала самый быстрый симулятор, имитирующий квантовую механическую динамику системы многих тел, взаимодействующих в пределах миллиардной доли секунды. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Динамика взаимодействия большого количества частиц лежит в основе многих важных физических и химических явлений, включая сверхпроводимость, магнетизм и химические реакции. Ансамбли таких частиц называются «сильно коррелированной системой». Таким образом, изучение свойств сильно коррелированных систем — одна из самых актуальных задач современной науки.

Однако, теоретически предположить свойства таких систем очень сложно — для этого не хватит мощи даже японского post-K суперкомпьютера, выпуск которого планируется в 2020 году.

Например, post-K не сможет рассчитать точную энергию системы в случае, если количество частиц в системе больше 30. Вместо вычислений на классических компьютерах (к ним относится post-K), ученые решили использовать альтернативную концепцию квантового симулятора, в которой атомы собраны в искусственную сильно коррелированную систему с известными и контролируемыми свойствами. Эта система используется для имитации и изучения новых сильно коррелированных систем, свойства которых неизвестны.

Команда ученых разработала квантовый симулятор динамической сильно коррелированной системы, состоящий из более 40 атомов, взаимодействующих в пределах миллиардной доли секунды. Сильно коррелированная система образуется при облучении ультрахолодного газа, состоящего из атомов рубидия, короткими лазерными импульсами с частотой в одну стомиллиардную долю секунды. Такое лазерное облучение обеспечивает переход атомов газа в ридберговское состояние, при котором можно наблюдать эффекты сильно коррелированной системы многих тел. В полученной системе ученым удалось смоделировать движение частиц за счет управления орбитальным размером системы и средним расстоянием между атомами.

Проведенный эксперимент имеет сходство с недавними исследованиями динамики когерентного спинового обмена полярных молекул в оптических решетках, которые, однако, были ограничены сроками когерентности частиц. В предложенном японскими учеными подходе период наблюдения в три раза меньше срока когеренции — получается, что сочетание «ультрабыстрого» и «ультрахолодного» подходов обеспечивает достаточный временной интервал наблюдения и контроля когерентной динамики до начала процессов декогеренции частиц системы.

Ученые отмечают, что предложенный подход обеспечит универсальную платформу для наблюдения и манипулирования динамикой неравновесных квантовых систем многих тел на сверхбыстрой шкале времени. Ожидается, что новый супербыстрый квантовый симулятор ляжет в основу средств изучения физических свойств материи, включая магнетизм и, возможно, сверхпроводимость.

Надежда Бессонова