Сверхпроводящий фотосинтез или как рассферичить вакуумного коня

Честно говоря, до недавнего времени я думал, что мы несколько ближе к созданию квантового компьютера и квантовым обсчетам реальных систем. Оказалось, что пока это больше напоминает вычисление формы сферического коня в вакууме. Более того, при том, что форма такого «коня» известна изначально, на выходе порой получается что-то среднее между «кубиком» и «медузой». И только сейчас физики потихоньку начинают подбираться к чему-то, действительно похожему на реальность.


Просветил меня о реальных возможностях квантовомеханических расчетов руководитель лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» профессор Алексей Устинов, с которым мы беседовали по поводу выхода статьи с его участием в Nature Communcations. Оказалось, в квантовой системе нельзя корректно ввести энергетические потери. А они есть, и этот выпирающий со всей очевидностью факт нельзя игнорировать бесконечно. Более того, они есть всегда – любое измерение квантовой системы ведет к её изменению и, как следствие, обмену энергией с внешней средой. То есть, любая квантовая система – открытая. И как тут не учесть потери?

Тем не менее, путём хитрых измышлений физики придумали несколько вариантов того, как потери энергии при взаимодействии кванта света и вещества не учитывать. Для начала они вспомнили, что почти любое вещество состоит из атомов, каким-то способом друг с другом взаимодействующих. Довольно часто эти самые атомы образуют друг с другом довольно прочные связи и собираются в молекулы. Но последнее соображение для нас не так важно, как то, что между атомами образуются новые связи – молекулярные. И длина этой связи меняется с некоей периодичностью. Соответственно, систему из двух атомов можно математически описать как гармонический осциллятор. Вот таким набором гармонических осцилляторов и представлено вещество в квантовой механике.



Следующий пасс руками похож на то, что моя старшая дочь вытворяла периодически при решении задач по геометрии, говоря: «Пусть это угол будет равен 30 градусов». Примерно также звучит допущение «Пусть сила взаимодействия кванта света и вещества пренебрежимо мала». Круче только символ веры современных квантовиков – уравнение Шредингера, которое само по себе не выводится, а постулируется. Тем не менее, такие игры разума позволили кое-как описать происходящие в квантовомеханических системах процессы. Ключевое слово тут, конечно, «кое-как». Под это определение попадают и модель Джеймса-Каммингса, которая описывает взаимодействие всего лишь одного, да и то двухуровневого атома с одним осциллятором при жестко ограничивающих систему условиях.



Казалось бы, в чем проблема? Раз есть взаимодействие, надо его учесть. Но даже для описанного выше «сферического коня в вакууме» решить это самое уравнение Шредингера, которое, по сути, пытается описать строение атома, точно удалось лишь для системы «один протон – один электрон». Всё остальное – приближение. Тем не менее, хочется детально понимать, что происходит в тех же лазерах, например. Это если говорит о мирном кванте. Кроме того, непонимание фундаментальных свойств квантовых систем может привести к компрометации каналов связи, основанных на методах квантовой криптографии. А этот параноидальный аргумент из арсенала военных.

Хотя, давайте всё же про мирные технологии. Самый мирный квантовый процесс – фотосинтез. Собственно, он и стал тем механизмом, который попытались понять квантовые физики. Опять же, пока на самой простой модели – двухуровневом атоме и одной моде. Но уже с учетом сильного взаимодействия света и вещества, которое составляет примерно 60% от величины энергетического уровня. Как мы помним, для случаев, когда сила взаимодействия между светом и веществом большая, методов расчета нет. Поэтому на помощь пришло моделирование, называемое квантовой симуляцией. С помощью сверхпроводящих схем ученые создали модель, на которой можно посмотреть, как возникает сильное взаимодействие. Отследить его можно за счёт эдаких надколебаний или, по научному, биений – это не только когда осциллятор колеблется с определенным периодом, но и когда величина (амплитуда) колебаний осциллятора начинает колебаться со своим периодом (см. рисунок ниже). Вот такие биения и удалось зафиксировать в эксперименте.



Вы спросите, откуда стало известно, что биения там должны были появиться? Такие простые системы, когда частица может совершать только один энергетический переход между уровнями, всё-таки можно рассчитать на компьютере. Что-то более сложное – уже практически невозможно. Только ручками собирать систему кубитов, охлаждать их до сотых долей Кельвина и проводить измерения. Так что подвалы НИТУ «МИСиС» продолжают периодически превращаться в самое холодное место в Москве.
НИТУ «МИСиС» 148,28
Образование и наука
Поделиться публикацией
Комментарии 15
    +5

    Маловато будет!
    Начало годное, интересное… и бац! Все закончилось :(

      +1
      Почту за комплимент. Я боялся перегрузить подробностями.
        0
        Кстати, всё, скорее, наоборот, только началось. А если что непонятно — спрашивайте.
          0

          Оно все понятно написано, интересно, только мало :)

        0
        Ещё пару лет назад на предыдущей конференции Квантового Центра тот же Устинов в лекции про квантовый компьютер говорил, что мол всё понятно, физикам пора «идти домой», пришло время квантовых инженеров… Так всё таки «всё понятно», или «сферические кони»?
          +1
          Скажем так: мы вышли на новый уровень непонимания.
            0
            Кстати, а master equation не помогает? Вроде же куча работ по открытым квантовым системам?
              0
              Есть. Но, как я понял со слов профессора, они все грешат примерно одним и тем же пренебрежением. Поэтому и провели именно такое исследование.
            0
            Пока что сферические квантовые инженеры в вакууме…
          0

          Я правильно понял, слабые квантовые измерения оказались не такими уж слабыми? При некотором уровне энергетических утечек во время измерения невозможно построить работающую статистическую модель. То есть разброс статистики построенной на модели слишком велик в сравнении со статистиками эксперимента. При помощи сверхпроводников была создана hardware-система с наименьшим числом шумов, неучтенных моделью. Математическая модель описывала биения, и такие же биения фиксировались на сверхпроводящем осцилляторе. И именно сравнение статистики данных по биениям в системе с наименьшим числом шумов и имевшейся мат.-модели позволило получить статистически-значимый уровень достоверности, даже при 60 %-ом обмене энергией между системами во время измерений. Верно ли я описал суть эксперимента?

            0
            Доброе! Я попросил коллег профессора Устинова ответить, чтоб не соврать чего.
              0

              Так ничего и не ответили? Наверное я что-то безграмотное написал. В любом случае, спасибо за старание объяснить.

                0
                Не-не, они ответят. Обязательно. Я когда к ним заходил в последний раз, они несли куда-то отчёт по гранту. Обещали вернуться.
              0
              Добрый вечер! Наши ученые прислали ответ мне, а не сюда. Поэтому выложу его от своего имени:

              Я правильно понял, слабые квантовые измерения оказались не такими уж слабыми?

              «Слабые» измерения — это конечно приближение. Но тут это не проблема, т.к. тут используется «сильное» измерение. Каждая точка по времени Δt на графике 3b — это отдельная симуляция (на самом деле — усреднение по >1000 запусков симуляции).
              При некотором уровне энергетических утечек во время измерения невозможно построить работающую статистическую модель.

              Я не совсем понял о какой статистической модели идёт речь. Уравнение Линдблада для системы из одной бозонной степени свободы и кубита весьма неплохо описывает систему. Уравнение Линдблада — это как раз квантовая статистическая модель.
              То есть разброс статистики построенной на модели слишком велик в сравнении со статистиками эксперимента.

              Точность совпадения модели и эксперимента связана наверное не столько со статистикой, сколько с точностью задания параметров симуляции. Тут каждый параметр — это не просто функция. Это ЦАП с полосой ~200 MHz, подключённый к физической микроволновой линии с какой-то АЧХ. Эту АЧХ более менее можно учесть и скомпенсировать (деконволюцией управляющего сигнала с импульсным откликом), но всё равно небольшие ошибки остаются. Ну и наверное модель не учитывает какие-то ещё процессы, влияние которых не очень велико.
              При помощи сверхпроводников была создана hardware-система

              Сверхпроводников — это да, но это не просто сверхпроводящая цепь. Эта цепь работает в квантовом режиме и её динамика правильно описывается уравнением Шрёдингера с соответствующим Гамильтонианом (а обычными уравнениями Кирхгофа — не описывается! т.к. они классические).
              с наименьшим числом шумов, неучтенных моделью.

              Шумов, наводок и хорошо откалиброванная. Но, в общем, всё правильно.
              Математическая модель описывала биения, и такие же биения фиксировались на сверхпроводящем осцилляторе. И именно сравнение статистики данных по биениям в системе с наименьшим числом шумов и имевшейся мат.-модели позволило получить статистически-значимый уровень достоверности, даже при 60 %-ом обмене энергией между системами во время измерений. Верно ли я описал суть эксперимента?

              Всё именно так! 60% обмен энергии — это собственно это один из тех эффектов, который и хотелось просимулировать.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое