Что-то я забросил свой блог... А так то я болел и не до этого было :-( Но мы продолжаем
Сегодня хотелось бы рассказать о своем ресерче, а точнее о разделе физики, в котором мы проводим свои исследования. И это, квантовые симуляторы, а если быть более точным, то создание ультрахолодных молекул(!) в оптических ловушках. Но сегодня о квантовых симуляторах. Я попытаюсь ответить на вопрос, зачем они нужны и какой от них вообще толк?
Ну начнем с того, что скажем, что квантовый симулятор, это не квантовый компьютер и никакого отношения к quantum computing не имеет. А суть вот в чем. Известно, что любую даже относительно простенькую квантовую модель исследовать либо сложно, либо практически нереально. Допустим мы имеем систему из 50 частиц со спином \( \uparrow \) и \( \downarrow \) и хотим решить для этой системы уравнение Шредингера
\( i \hbar \frac{d}{dt} \phi = H \phi \)
,то есть найти \( \phi(t) \) ( \( \phi(t) = exp (-i \hbar H t ) \psi(0) \) ). И так вот, чтобы только записать число всевозможных конфигураций нам понадобится \( 2^{50} \) или \( 10^{15} \) бит информации или около 500 Тб, что очень много. Не говоря уже о других операциях, которые тоже потребуют памяти. Итого, просто технически исследовать даже такую простенькую квантовую модель на компьютере нереально. Но исследовать то хочется. Так что же делать? Есть довольно лаконичный выход из этой ситуации, который реализуется посредством совершенно нового подхода. Этот подход и именуются квантовой симуляцией. В чем же фишка?
Фишка в следующем. Допустим у нас есть система, которую и численно исследовать трудно и экспериментально. То есть всё против нас :-) Так вот, давайте на секундочку забудем про эту систему и постараемся воссоздать схожую, но которую можно было бы контролировать, то есть менять параметры системы и самое главное(!), получать данные непосредственно из измерений. Математически, соответствие между системами выражается в эквивалентности их гамильтонианов.
\( H_{sys} \longleftrightarrow H_{sim} \)
И уже исследуя эту систему (квантовый симулятор), мы сможем предсказать и проанализировать поведение прежней системки. Чтобы, лучше понять о чем идет речь, приведу хрестоматийный пример.
Все мы слышали о высокотемпературной сверхпроводимости, которую открыли в середине 80ых 20 века. После этого открытия произошел бум в области высокотемпературной сверхпроводимости и ученым даже удалось выделять целый класс материалов, у которых наблюдается высокое \( T_{c} \). Этот класс именуется купратами и вся загвоздка заключается в том, что соединения есть, а понять почему и чем вызвана сверхпроводимость не получается. То бишь физика данного действва не ясна до сих пор.Теоретически все чики-брики для низкотемпературной сверхпроводимости (БКШ теория), а вот для высокотемпературной никакой толковой теории создать не удалось.Почему? Да потому что купраты относятся к классу сильно коррелированных систем, где волновую функцию нельзя взять и разбить на мини-составляющие, что делает любое исследование довольно сложным. Однако(!), есть подозрения на то, что сильно коррелированные системы (то есть системы у которых электроны взаимодействуют и воздействуют друг на друга посредством кулоновского притяжения) могут описываться с помощью модели Хаббарда. Что это такое?
\( H = -J \sum\limits_{i, j} (c_{i, \uparrow}^\dagger c_{j, \uparrow} + c_{i, \downarrow}^{\dagger} c_{j, \downarrow} +h.c.) + U \sum\limits_{i} n_{i, \uparrow} n_{i, \downarrow} \)
То есть имеется два члена - \( J \) и \( U \), где один характеризует перескоки с одной соты в другую, а второй член описывает взаимодействие между частицами в соте. Казалось бы какая простенькая модель, а хрена с два! Решить аналитически в общем случае нельзя, разве что в очень частных случаях, да и численно не все так просто. Короче, модель Хаббарда, как и еще одна излюбленная физиками модель Изинга довольно красивенько и миленько выглядит, но если покопаться, то понимаешь, что этой лютый треш и лучше туда не соваться. Прямо как некоторые девушки ;-) Ну да ладно, есть модель Хаббарда и именно эта модель может объяснить и приоткрыть завесу тайны над высокотемпературной сверхпроводимостью. Так по крайней мере заявляют специалисты в области сверхпроводимости, которые последние лет 10-15 особого прогресса не достигли в своей области. И так вот, что же делать?
Физическая система есть - купраты. Модель тоже - модель Хаббарда. А вот продвинуться не можем. В этот момент и вступают квантовые симуляторы. А давайте попробуем создать системку с точки зрения квантового симулятора, который также будет описываться моделью Хаббарда, но уже имея полный доступ к его параметрам ( \( J \) и \( U \) , в реальной системе эти величины жестко фиксированы )и мы сможем менять их как нам заблагорассудится и сможем проводить измерения, получая необходимые физические величины непосредственно из эксперимента. А давайте. Но как?
А с помощью ультрахолодных атомов и оптических решеток. То есть заменим наш кристалл на систему из атомов, которые предварительно помещены в оптическую решетку.
По сути будем иметь то, что на картинке. И вот такая система абсолютно эквивалентна кристаллу. Я даже больше скажу. Она лучше :-) И вот почему
Оптическая решетка свободна от всяких дефектов
Член туннелирования (\( J \) легко управляем и мы его можем менять, впрочем как и параметр взаимодействия \( U \)
Величина сот у решетки порядка 500-1000 nm
Временные характеристики у данной системы довольно низки, на уровне \( 10^{-3} \) секунд, что позволяет нас довольно детально исследовать все что там происходит
Как создать ультрахолодные атомы?
Как создать оптическую решетку?
Ну ультрахолодные атомы создаются на раз два и сейчас это довольно обкатанная процедура. Хотя если вы хотите поиграться с более сложными системами, вроде Ферми-Ферми молекул в основном состоянии, то есть соединениями, которые состоят из ферми атомов, как LiK (эта молекула интересна тем, что у нее высокое диполь-диполь взаимодействие, которое может быть полезно), то тут уже не все так просто. А вообще используются типичные методы охлаждения с помощью магнито-оптических ловушек и прочих штучек-дрючек. Вообще хотелось бы более детально рассмотреть данный вопрос с точки зрения, как теории, так и эксперимента. Как будет время, попробую запилить материал. Что же касается оптических решеток, то тут просто посылаются навстречу друг друга два лазерных луча и они образуют стоячую волну, которую и можно характеризовать как решетку. И уже потом на эту решетку, “насаживаются” охлажденные атомы.
И так вот, есть ультрахолодные атомы в оптических решетках и они ведут себя как кристаллы. Ну и исследование таких уже (новых) систем и представляет собой раздел, квантовую симуляцию. Итого, всю процедуру можно разбить на 4 шага.
Соответствие между реальной физической моделью и той, которую мы хотим воссоздать с помощью ультрахолодных атомов (так это не обязательное условие, но о других методах симуляций я пока что ничего не знаю).
Подготовка начальной системы
Изменение параметров квантовой системы путем экспериментального вмешательства (поменял интенсивность, включил магнитное поле и т.д.).
Ну и напоследок, проведение измерений и извлечение реально наблюдаемых величин.
Хочу еще раз опять повториться, что основная фишка во всех этих действиях в том, что при исследовании новых систем, мы измеряем напрямую квантовые величины. Это очень круто.
Ну и это я так, дал так сказать обзорчик на область. Тон в этой области задают немцы, а именно группа Иммануэля Блоха в Германии (институт Макса Планка). Он является так сказать батей данного направления. А одна из самых первых статей в этой области Quantum Phase Transition from a Super uid to a Mott Insulator in a Gas of Ultracold Atoms (M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger, T.W. Hansch, and I. Bloch Nature 415, 39-44, 2002 ) сейчас имеет порядка 4900 цитирований! Это прямо-таки Нобелевский размах. Ну и помимо Блоха главные игроки в эксперименте, это
Jun Ye (Colorado Boudler)
Кстати что касается той статьи. Что же они нашли такого крутого? А вот что. Оказывается, при исследовании модели Хаббарда возникают два крайних состоянии - это сверхтекучее состояние (\( J \gg \ U\)) и так называемое моттовское состояние (\( J \ll U \)). И так вот, Грейнер, Блох и компания смогли пронаблюдать за тем, как частицы из сверхтекучего состояния попадают в моттовское, меняя глубину оптической решетки. По сути они увидели фазовый переход в реальном времени, прям как переход вода-лед :-) Менять же глубину можно тупо уменьшая/увеличивая интенсивность нашего лазера. Хочу правда оговориться, что вся эта картина не имеет никакого отношения к высокотемпературной сверхпроводимости, так как там модель Ферми-Хаббард, а в исследуемой немцами модели, Бозе-Хаббард. И напоследок, вот главная картинка с их эксперимента, где изображено распределение частиц по импульсам в зависимости от глубины потенциальной решетки. Более смазанные распределения относятся к моттовскому состоянию, а более пикообразные к сверхтекучему.
P.S. За основу этого репортика был взят PhD thesis парня из группы Маркуса Грейнера, Widagdo Setiawan, который просто изумительно описал в своем введении мотивацию и то что из себя представляет quantum simulation. Кстати, сейчас он работает квонт трейдером в KCG.
P.S.S. Что мне понравилось писать такие мини тексты по ресерчу, наверное продолжу писать. Сам расшарю таким образом, да и с народом поделюсь знаниями :-)