Современные суперкомпьютеры обладают огромной вычислительной мощностью, но даже они не справляются с решением некоторых задач. К примеру, математическое описание квантовых процессов, даже для систем, состоящих из нескольких десятков элементов, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Для достижения прогресса в физике часто необходимы симуляции, включающие сотни и тысячи частиц. В качестве альтернативы могут быть использованы аналоговые компьютеры, которые позволяют моделировать различные квантовые эффекты.
Для предсказания траекторий небесных тел необходимо разработать детальную физико-математическую модель, которая будет учитывать все возможные гравитационные взаимодействия между астрономическими объектами, представляющими интерес. Эта задача вполне понятна и выполнима, однако для ее решения требуются знания в области астрономии, физики и математики, а также значительные вычислительные ресурсы. Современные персональные компьютеры, обладающие высокой производительностью, позволяют без труда запускать симуляторы Солнечной системы.
Полувек назад создание механической модели представлялось более простым способом определения периодов обращения планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет через передаточное отношение шестерней. Парадоксально, но такие макеты нередко демонстрировали большую точность по сравнению с цифровыми симуляциями, поскольку последние требовали определенных упрощений. Суть аналогового компьютера заключается в создании эквивалентной модели, обладающей необходимыми физическими свойствами, когда решение задачи с использованием микроэлектроники требует значительных вычислительных мощностей.
Аналогичный прием можно применить и к квантовым явлениям, однако для этого необходимо создать систему, в которой они также будут наблюдаться. Она все равно будет нуждаться в сверхнизких температурах и специальных приемах для удобства работы.
При работе с «истинно квантовыми системами» не обязательно преодолевать трудности, связанные с поддержанием состояния кубитов. Тем не менее, остается возможность моделирования состояний этих систем. Однако потенциальная производительность такого «квантового аналогового компьютера» значительно уступает возможностям «классического» суперкомпьютера при решении задач моделирования микромира.
В США создан первый «квантовый аналоговый компьютерный» кирпичик, открывающий возможности для разработки чипов, состоящих из множества идентичных элементов. Разработка принадлежит международной группе ученых из Стэнфорда (США), Университета Париж-Сакле (Франция) и Университетского колледжа Дублина (Ирландия). Описание теоретической модели «квантового симулятора» и его экспериментального прототипа представлено в научной работе опубликована в рецензируемом журнале Nature Physics. Статья в закрытом доступе, с текстом ее препринта можно ознакомиться на портале arXiv.org.
Разработанная учеными структура готова к увеличению масштаба, а технология ее создания может быть адаптирована для промышленного применения, подобно фотолитографии. Она состоит из двух металлических элементов, управляемых двумя затворами, к которым подведены два контакта из квантовых точек. Внутри каждого элемента формируется двумерный электронный газ с вырожденными свойствами, параметры которого могут быть изменены. Таким образом, созданная ячейка способна находиться в двух заряженных состояниях, что аналогично полуцелому спину симулируемого квантового элемента.
Еще до того, как разработка была опробована для создания аналогового компьютера, состоящего из нескольких подобных элементов, она способствовала важному открытию в квантовой физике. В ходе эксперимента ученым удалось получить новое состояние материи: электроны с зарядом, составляющим лишь треть от их обычного значения. Эти частицы получили название Z3 парафермионами, и ранее их существование предсказывалось теоретически.
Применение «квантового аналогового компьютера» открывает огромные перспективы для современной науки. В первую очередь, исследователи рассчитывают использовать его для поиска новых сверхпроводящих материалов. Даже материалы, требующие охлаждения до минус 77 градусов Цельсия, будут считаться значительным достижением.
В настоящее время значительная доля результатов, полученных с помощью существующих моделей сверхпроводников в лабораторных условиях, уже достигнута, и дальнейший прогресс замедлился. Для разработки более точных моделей необходим экспоненциальный рост вычислительной мощности суперкомпьютеров.