Квантовые симуляторы – это устройства, являющиеся, как это ни странно, моделями квантовых систем. Строить квантовые симуляторы учёные получили возможность благодаря бозе–эйнштейновской конденсации. Эта технология позволяет охлаждать атомы, снижая скорость их перемещения. Другим эффектом охлаждения атомов является доминирование их волновых свойств. Это их свойство и позволяет изучать их в качестве симуляторов квантовых частиц. Например, электронов в твёрдом теле. Но атомы в твёрдом теле создают решётку, в которой и взаимодействуют электроны, поэтому, если атомы симулируют электроны, нужно как-то симулировать решётку.
Для симуляции решётки атомов в квантовых симуляторах используют свет. С помощью света создают оптические решётки. Но атомы, в отличие от электронов, нейтральны. У них нет заряда. Поэтому атомы не двигаются, а для проведения эксперимента им нужно задать движение. С этой целью используют гравитацию. Электрическое поле просто замещают магнитным. Но с магнитным полем есть трудность. Он закручивает движение частиц, поэтому они начинают двигаться по спирали. В связи с этим пришлось создать такое магнитное поле, которое обеспечило прямолинейное движение атомов. Но зачем нужны такие сложности?
Дело в том, что поведение элементарных частиц пока не поддаётся прямому изучению. Вернее, элементарные частицы просто меняют свои свойства в зависимости от того, изучают их или нет. Вот и электроны в твёрдых телах ведут себя подобным образом. Тем не менее, твёрдые тела являются не единственным предметом изучения квантовых симуляторов. Холодные атомы так же используются для изучения турбулентности. С их помощью удаётся моделировать турбулентность и изменять её свойства. Другим направлением изучения является атомное ядро. Из холодных атомов можно построить модель атомного ядра, и изучать реакции холодных атомов, не производя никаких настоящих ядерных реакций.
Само собой, что апофеозом фундаментальных исследований с помощью квантовых симуляторов является симуляция Большого взрыва. Или, наоборот, возможность заглянуть в далёкое будущее. Ведь во вселенной постоянно идут два параллельных процесса: расширение и охлаждение. Квантовые симуляторы позволяют посмотреть, как будут вести себя частицы в таких условиях. Но фундаментальная наука – это не единственная сфера применения квантовых симуляторов. Например, компания D–Wave использует эту технологию для создания квантового компьютера. Таким образом, фундаментальная наука, в очередной раз, доказала свою практическую пользу. И хотя широкое распространение квантовые компьютеры пока всё ещё не получили, по всей видимости, будущее за ними!
[1] ria.ru/science/20170919/1505016982.html
[2] postnauka.ru/video/67148
[3] nature.com/articles/ncomms6289