Современные суперкомпьютеры обладают огромной вычислительной мощностью, но некоторые задачи остаются для них неразрешимыми. Математические модели квантовых явлений даже для небольших систем из десятков элементов чрезвычайно сложны. Для прорывов в физике часто необходимы симуляции сотен и тысяч частиц одновременно. Аналоговые компьютеры могут помочь, моделируя различные квантовые эффекты.
Для предсказания движения небесных тел можно составить детальную физико-математическую модель, включающую все возможные гравитационные взаимодействия объектов астрономического характера. Задача понятна и выполнима, но нуждается в знаниях астрономии, физики, математики и значительных вычислительных ресурсах. Благодаря мощным персональным компьютерам, способным запускать симуляторы Солнечной системы, это сейчас стало более доступным.
Пятьдесят лет назад изготовление механической модели было проще. В такой модели периоды обращения планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет определялись передаточным соотношением шестерней. Такие макеты часто оказывались точнее числовых симуляций, поскольку последние выполнялись с упрощениями.
Можно попытаться воспроизвести подобный трюк с квантовыми явлениями, но для этого потребуется создать аналог, где эти явления также проявлялись бы. Ещё будет необходимо поддерживать сверхнизкие температуры и использовать определённые приспособления для удобства работы.
Можно обойти сложности с поддержанием состояний кубитов в «истинно квантовых системах», сохраняя при этом возможность имитации их состояний. Потенциальная эффективность такого «квантового аналогового компьютера» значительно ниже, чем у классического суперкомпьютера для моделирования микромира.
В США разработали первый в истории строительный кирпичик «квантового аналогового компьютера», который может быть использован для создания целого чипа из множества типовых элементов. опубликована в рецензируемом журнале Nature Physics. Статья в закрытом доступе, с текстом ее препринта можно ознакомиться на портале arXiv.org.
Разработанная исследователями структура готова для масштабирования. Технологический процесс ее изготовления можно адаптировать для промышленности, как фотолитографию. Она состоит из двух металлических «островов», управляемых двумя затворами, к которым подведены два квантовых точечных контакта. Внутри каждого из них формируется двумерный вырожденный электронный газ, параметры которого можно регулировать. Полученная ячейка может занимать два заряженных состояния, служащих аналогом полуцелого спина симулируемого элемента квантовой системы.
Самое интересное, что разработка оказалась полезна для открытия в квантовой физике ещё до того, как её применили как аналоговый компьютер из нескольких элементов. В ходе эксперимента исследователи добились получения нового состояния материи — электронов с одной третьей обычного заряда. Такие частицы называют… Z3Существование этих частиц предсказывалось теориями раньше их открытия.
Квантовый аналоговый компьютер может принести неоценимую пользу современной науке. Ученые надеются с его помощью обнаружить новые сверхпроводящие материалы. Даже если они не будут высокотемпературными и требовать охлаждения до минус 77 градусов Цельсия, это всё равно станет важным прорывом.
В лабораториях получено множество сверхпроводников, предсказанных существующими моделями, но прогресс затормозился. Более продвинутые модели нуждаются в экспоненциальном увеличении вычислительных возможностей суперкомпьютеров для расчётов.