квантовый симулятор

Чёрная дыра — это лабиринт, из которого не выбраться. Но что происходит с информацией внутри? Чтобы проверить это, физики не полетели к ближайшей дыре, а собрали её крошечную копию на квантовом процессоре. Роль лабиринта сыграла цепочка из 32 сверхпроводящих кубитов, где каждый шаг ведёт только вперёд — как в коридоре с односторонним движением.

В сверхпроводнике, где электроны движутся парами без сопротивления, по краям могут бежать особые волны — как рябь вдоль кромки ковра. Эти краевые моды — важная характеристика материала, но измерить их число напрямую трудно. Учёные предложили хитрый инструмент: подвижную стенку внутри сверхпроводника, которая разделяет области с разным «закручиванием» электронных пар — так называемым киральным параметром порядка.

В ультрахолодной камере сталкиваются два облака атомов: несколько десятков атомов цезия, играющих роль рабочего тела, и тысячи атомов рубидия — резервуара тепла. Каждое столкновение — микроскопический теплообмен, который можно сравнить с настройкой музыкального инструмента: температура резервуара задаёт темп, с которым атомы обмениваются энергией.

Квантовый компьютер — устройство, использующее квантовые биты, или кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний, — обычно работает как конвейер: операции идут одна за другой, и каждая ошибка накапливается. В новой работе физики опробовали иной путь — архитектуру, где вычисление вырастает из самого процесса измерения.

Квантовый компьютер — устройство, использующее квантовые биты, или кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний, — обычно работает как конвейер: операции идут одна за другой, и каждая ошибка накапливается. В новой работе физики опробовали иной путь — архитектуру, где вычисление вырастает из самого процесса измерения.

Горячий кофе иногда замерзает быстрее, чем холодная вода из-под крана. Этот парадокс, известный как эффект Мпембы, долго считали курьёзом классической физики. Теперь его квантовый аналог помог проверить и откалибровать квантовые процессоры — устройства, которые в будущем станут основой сверхмощных компьютеров.

Квантовый компьютер на нейтральных атомах напоминает город, где курьеры — лазерные пинцеты — физически перемещают посылки между адресами. Пока один курьер тащит атом через весь чип, остальные простаивают. Это медленно и порождает ошибки. Новая архитектура заменяет курьеров общей радиоволной.

Полярная молекула — это микроскопическая гантель с разнесёнными электрическими зарядами: на одном конце положительный, на другом отрицательный. Такая асимметрия делает их агрессивными: при сближении молекулы либо слипаются, либо разлетаются на большие расстояния, потому что электрические силы между ними очень сильны.

Квантовый мир устроен хитро: иногда частицы, запертые в плоском слое и пронизанные сильным магнитным полем, начинают вести себя как жидкость, состоящая не из целых электронов, а из их долей — дробных зарядов. Это дробный квантовый эффект Холла.

Квантовые устройства перестали быть лабораторными курьёзами. Их собирают, настраивают и чинят как обычную технику — только внутри у них не просто ток, а хитросплетения частиц, которые могут быть в нескольких состояниях сразу. Инженеры чертят схемы, программисты пишут код, физики рассчитывают эффекты. У каждого свой набор моделей, и их нужно сводить воедино, чтобы устройство работало.

Квантовый компьютер похож на капризный музыкальный инструмент: малейшее изменение температуры, влажности или настройки струн — и мелодия звучит иначе. В гибридных алгоритмах, где квантовый чип работает в паре с обычным компьютером, таких «струн» десятки: выбор квантовой схемы, способа подавления помех, числа попыток и даже версия программы.

Переводчик, который переводит не слова, а саму структуру разговора, сталкивается с трудностями, когда беседа выходит за пределы тихой комнаты. В привычной симуляции на пространственной решётке всё идёт по строгому сценарию. Но стоит собеседникам оказаться на шумной площади, где звук искажается эхом, а толпа постоянно меняет направление, — и сценарий ломается.

Металлургический цех, заваленный алюминиевым ломом, напоминает расстроенный оркестр перед концертом: каждый инструмент фальшивит по-своему. Обрезки крыльев самолётов, смятые банки, стружка от фрезерных станков — каждый «инструмент» обладает собственной металличностью, нелинейно влияющей на итоговую «мелодию» — прочность и теплопроводность.

Квантовое туннелирование — способность частиц проходить сквозь барьеры, запрещённые классической физикой, — питает звёзды термоядерным синтезом, зажигает первичный нуклеосинтез и дарит нам флеш-память.

Квантовые спиновые цепочки напоминают шеренгу людей, передающих друг другу секретное рукопожатие: каждый поворачивается к соседу, и от того, насколько крепко они сжали ладони, зависит, как пробежит волна по всей цепочке.

При обрушении здания стальная арматура превращается в хаотичную систему намагниченных элементов — своего рода магнитный компас, где стрелки указывают в разные стороны. Энтропия — физическая мера беспорядка — здесь растёт, но именно этот беспорядок становится ключом к обнаружению пустот, в которых могут находиться люди.

Тёмная материя не оставляет следа в обычных детекторах — она проходит сквозь них, как ветер сквозь марлю. Чтобы её заметить, нужны приборы, способные ощутить удар комара в бурю. Квантовые датчики с порогом в доли электронвольта (в тысячу раз меньше энергии видимого света) как раз такие.

Калибровка квантового процессора — монотонный труд, требующий ювелирной точности: необходимо спектроскопически откалибровать каждый кубит — квантовый бит, элементарную вычислительную ячейку, — подобно тому как часовщик настраивает десятки шестерёнок, добиваясь идеального хода механизма.

В лаборатории стоит ловушка — невидимая «яма» из электрических полей, где парит заряженная пылинка размером в сотню нанометров. Она колеблется туда-сюда, как маятник в часах. Рядом с ней — ещё более крошечный объект, например молекула, которую физики приготовили в особом квантовом состоянии: она словно идёт по двум дорогам сразу.

Квантовый мир полон перевоплощений. Иногда система, собранная из одних частиц, начинает вести себя так, будто в ней завелись совсем другие. Например, в цепочке бозонов — «общительных» частиц, любящих собираться в одном состоянии — могут неожиданно проявиться фермионы, которые обычно держатся особняком.

Квантовый симулятор на ионных ловушках похож на оркестр, где каждый ион — музыкант, а фононная шина (общие колебания) — дирижёр, передающий сигналы. Пока все играют одну мелодию, всё идёт гладко. Но если попросить музыкантов одновременно исполнять две разные партии, дирижёр начинает сбиваться — возникают помехи, искажающие звук.

Литиевая батарейка похожа на крошечный город: ионы лития — жители, которые переезжают между районами-электродами, создавая ток. Но чтобы понять, сколько энергии город может отдать, нужно знать не только планировку улиц (структуру материала), но и как жители взаимодействуют с соседями, транспортом и даже погодой.

В квантовом мире атомы и частицы неизбежно теряют энергию, стремясь к равновесию — это напоминает затухание качелей из-за потери энергии, то есть энтропийного трения. Однако работа многих приборов — от водородных мазеров до атомных часов — основана на поддержании повторяющихся циклов, где колебания не должны затухать.

Компьютерное моделирование поведения веществ долгое время балансировало между двумя крайностями: быстрыми, но неточными эмпирическими моделями и точными, но вычислительно затратными методами квантовой физики.

Выделить один бракованный микрочип из миллиона, не имея ни малейшего представления о том, как выглядит дефект, — классическая задача поиска иголки в стоге сена. Обычный компьютер стал бы перебирать чипы один за другим. Квантовый же действует как самонастраивающийся дуршлаг: вы высыпаете всю партию разом, и лишь редкие дефектные экземпляры «загораются» — без какого-либо предварительного описания брака.

Понять фотоэффект — явление, при котором свет, падая на материал, выбивает из него электроны, — всё равно что учиться готовить без рецепта. На помощь приходят цифровые инструменты: игры дают интуитивное чутьё, симуляции — количественную точность. Исследователи провели эксперимент с участием 55 студентов, разделив их на две группы.

Ловушка-невидимка из лазерного света удержала 11 тысяч атомов — рекордное число для квантовой инженерии. Ранее физики манипулировали лишь десятками таких частиц; теперь счёт пошёл на тысячи. Каждый атом становится кубитом — квантовым битом, который, в отличие от классического, может находиться в суперпозиции: одновременно и нулём, и единицей, подобно монете, крутящейся на ребре.

Обычный полевой транзистор похож на кран с очень чувствительной ручкой: чуть повернул — вода пошла. В холодных недрах квантового компьютера, где всё охлаждено почти до абсолютного нуля, такой кран должен открываться строго по команде.

Атомное ядро редко сидит спокойно — чаще оно дрожит, вращается или пульсирует, как натянутая струна. Каждое такое движение — возбуждённое состояние, и чтобы его описать, обычно нужны сложнейшие вычисления. Теперь на помощь приходят нейросети: они подбирают форму ядра так же, как музыкант на слух определяет ноту в аккорде.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, не слушая других. Вдруг, без видимого приказа, соседи по пульту начинают идеально синхронизироваться, но общей мелодии ещё нет. Нечто подобное происходит в некоторых материалах при охлаждении: электроны теряют энергию, словно готовясь к сверхпроводимости, но так в неё и не переходят.

Квантовый компьютер похож на оркестр: каждый музыкант ведёт свою партию, но малейший шум из зала способен сбить весь ансамбль. Частицы, хранящие информацию, легко теряют слаженность от тепловых толчков или блуждающих магнитных полей.

Квантовый компьютер измеряет энергию молекулы примерно как старая рулетка, у которой есть только деления через метр. Если реальная длина стола – 2,37 метра, рулетка покажет «два с чем-то», и точнее никак. Физики называют это разрешением: шаг сетки, мельче которого не прыгнуть. Авторы новой работы превращают этот недостаток в преимущество.

Астрономы составляют детальные карты распределения галактик и регистрируют радиошёпот нейтрального водорода — излучение на длине волны 21 см, испускаемое атомами водорода при смене ориентации спина электрона.

В кастрюле с супом каждая крупинка — крошечный магнит, который хочет развернуться в противоположную сторону от соседа. Нагрейте суп — и магнитики начнут метаться, подчиняясь теплу. Но как узнать, насколько они непослушны при каждой температуре? Для обычного вещества это считают на мощных компьютерах, перебирая варианты.

Атом — как дирижёр, а свет в резонаторе — оркестр. Обмен энергией между ними, известный как взаимодействие Джейнса–Каммингса (часть Стандартной модели), позволяет атому взмахами «палочки» менять ритм и тембр колебаний.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант-кубит должен играть в идеальной тишине. Но когда таких оркестров много и они хотят выступать вместе, им нужен надёжный дирижёр-связист. Проблема в том, что сверхпроводящие кубиты общаются на языке микроволн — как если бы скрипачи пытались докричаться до соседнего зала через бетонную стену.

Квантовый бит, или кубит, — фундаментальная единица квантовой информации — представляет собой крайне нежную конструкцию. Даже слабое тепловое воздействие способно разрушить его состояние, подобно тому как случайный толчок опрокидывает хрустальный бокал, разбивая его вдребезги.

Обычный чайник: нагреваешь — растёт температура, молекулы движутся всё беспорядочнее, и вырывается пар. Но в лаборатории создали необычный «чайник» — аналоговую чёрную дыру из охлаждённых почти до абсолютного нуля сверхпроводящих цепей.

Тепловая машина не обязана быть железной. В микромире роль поршня может играть одиночный электрон, а вместо топлива — сам процесс измерения. Два соседних «кармана» для электронов соединяются узким мостиком.

Водитель крутит руль, чтобы машина повернула. В квантовом мире тоже есть свои «рули» — внешние параметры, которые плавно меняют, чтобы перегнать частицы из одного места в другое. Так устроен насос Таулеса: медленно изменяя условия, можно перекачать строго определённое число частиц, и это число защищено от помех самой геометрией процесса.