Вычислительная мощь современных суперкомпьютеров колоссальна, однако по-прежнему существуют задачи, которые им не по зубам. Например, математические модели квантовых явлений даже для систем из десятков элементов невероятно сложны, а чтобы совершать прорывы в физике, порой требуются симуляции сотен и тысяч частиц одновременно. На помощь могут прийти аналоговые компьютеры, моделирующие различные квантовые эффекты.

Чтобы прогнозировать движение небесных тел, можно создать подробную физико-математическую модель, учитывающую все возможные гравитационные взаимодействия интересующих нас астрономических объектов. Задача понятная и решаемая, но требует знаний по астрономии, физике, математике и немалых вычислительных мощностей. Это мы сейчас избалованы производительными персональными компьютерами, легко запускающими симуляторы Солнечной системы.

А всего полвека назад объективно проще было сделать механическую модель, в которой периоды обращения планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет определялись бы передаточным соотношением шестерней. Как ни странно, такие макеты запросто оказывались точнее числовых симуляций, поскольку последние приходилось делать с определенными упрощениями. Это и есть принцип аналогового компьютера — построить эквивалент с нужными физическими свойствами, когда на решение этой же задачи требуется слишком много вычислительных ресурсов микроэлектроники.

Такой трюк можно провернуть и с квантовыми явлениями, но аналог потребуется сделать таким, чтобы в нем они тоже проявлялись. Он по-прежнему будет требовать сверхнизких температур и определенных ухищрений, чтобы с ним было удобно работать.

Но можно не биться над сложностями с поддержанием состояния кубитов в «истинно квантовых системах». При этом сохраняется возможность симулировать состояния таких систем. И потенциальная эффективность подобного «квантового аналогового компьютера» несравнимо ниже, чем у «классического» суперкомпьютера в вопросах моделирования микромира.

Сканирующая электронная микроскопия квантовой аналоговой ячейки. Трехлучевые структуры в центре — «острова», светло-серые области — подложка, темно-серые области — внутреннее пространство затворов, которое при работе заполняется двумерным электронным газом / ©https://doi.org/10.1038/s41567–022–01905–4

Первый в истории строительный кирпичик «квантового аналогового компьютера», который потенциально можно использовать для создания целого чипа из множества типовых элементов, разработали в США. Лавры первопроходцев на этом поприще принадлежат международной команде исследователей из Стэнфорда (США) и Университета Париж-Сакле (Франция), а также Университетского колледжа Дублина (Ирландия). Научная работа с описанием теоретической модели «квантового симулятора» и его экспериментального прототипа опубликована в рецензируемом журнале Nature Physics. Статья в закрытом доступе, с текстом ее препринта можно ознакомиться на портале arXiv.org.

Схема квантовой аналоговой ячейки: желто-зеленые — «острова» из металла и полупроводника; красные линии — области квантового эффекта Холла; голубые и синие области — двумерный электронный газ с разными свойствами; черные и серые структуры — квантовые точечные контакты; зеленые структуры — контролирующие затворы. В ходе эксперимента использовались только верхний и центральный контакты (черные), так что у разработки есть еще не проверенная степень свободы / ©https://doi.org/10.1038/s41567–022–01905–4

Созданная исследователями структура фактически готова для масштабирования, технологический процесс для ее «печати» можно адаптировать для промышленности по аналогии с фотолитографией. Она представляет собой два металлических «острова», которые контролируются через два затвора, к ним подводятся два квантовых точечных контакта. Внутри каждого из них формируется двумерный вырожденный электронный газ, параметрами которого можно управлять. Получившаяся ячейка может занимать два заряженных состояния, служащих аналогом полуцелого спина симулируемого элемента квантовой системы.

Что самое интересное, еще до того, как разработку попробовали применить в качестве полноценного аналогового компьютера из нескольких таких элементов, она уже помогла совершить открытие в квантовой физике. Во время эксперимента исследователи смогли получить новое состояние материи — электроны всего с одной третьей частью их нормального заряда. Такие частицы называются Z3 парафермионами, и ранее их существование предсказывалось теоретически.

Потенциальная польза от «квантового аналогового компьютера» для современной науки неоценима. В первую очередь ученые надеются с его помощью найти новые сверхпроводящие материалы. Даже если они не будут высокотемпературными, то есть требовать охлаждения «всего лишь» до минус 77 градусов Цельсия, это уже станет прорывом.

На современном уровне значительную часть рассчитанных имеющимися моделями сверхпроводников в лаборатории получили, прогресс застопорился. А более совершенные модели требуют экспоненциального роста вычислительной мощности суперкомпьютеров для обсчета.