Ученые МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН предложили архитектуру сверхпроводникового квантового симулятора на поляризационных транcмонах. Разработка рассчитана на изучение топологических и многочастичных квантовых явлений.
Квантовые симуляторы топологических моделей уже несколько лет исследуют на разных платформах. Такие устройства воспроизводят сложные физические системы в управляемых условиях — там, где природа не дает удобной площадки для эксперимента, а обычные компьютеры не справляются с расчетами.
Новый подход опирается на метаатомы — искусственные микроскопические элементы, которые взаимодействуют с электромагнитным полем подобно обычным атомам. Их свойства задаются конструкцией, а значит, поведение можно планировать заранее.
Топологическими называют состояния, свойства которых определяются не только отдельными элементами, но и общей структурой системы. Одно из таких свойств — существование краевых состояний: возбуждение может быть сосредоточено у границы системы. Однако в отличие от обычных таммовских состояний, топологические краевые состояния выдерживают даже существенные нарушения в структуре материала.
Исследовать подобные эффекты в природных материалах непросто: их трудно синтезировать, к отдельным атомам сложно «подсоединиться», чтобы измерить их заселенность. Джозефсоновские искусственные системы позволяют произвольно задавать и менять взаимодействия между элементами прямо в ходе эксперимента — и воспроизводить разные физические режимы на одном образце. В перспективе масштабирование таких симуляторов поможет предсказывать свойства сложных материалов и отвечать на фундаментальные вопросы — например, как квантовое поведение на микроуровне переходит в классическое.
В качестве элементов симулятора ученые впервые предложили использовать поляризационные трансмоны — искусственные атомы из четырех сверхпроводниковых островков, соединенных джозефсоновскими переходами. Такой элемент поддерживает две вырожденные ортогональные дипольные моды: два независимых способа колебания зарядов, направленных перпендикулярно друг другу. В классическом представлении их можно рассматривать как два направления поляризации электромагнитного поля.
Трансмоны предлагается расположить зигзагообразной цепочкой. В такой геометрии сила взаимодействия между соседними элементами чередуется в зависимости от их взаимной ориентации. Авторы учли и дальнодействующее взаимодействие между элементами, следующими за ближайшими соседями: оно связывает два поляризационных подпространства и снимает вырождение энергетического спектра.
Топологические фазы системы и условия переходов между ними исследователи определили аналитически и численно — с помощью топологических инвариантов и обратного коэффициента участия, который показывает, насколько сильно состояние локализовано в отдельных участках цепочки.
«В этой работе мы показали, что поляризационные трансмоны могут служить элементарными ячейками сверхпроводникового симулятора зигзагообразной топологической модели. Существенную роль играют дальнодействующие связи: они соединяют две поляризации и заметно меняют спектр и фазовую диаграмму системы. Предложенная архитектура создает основу для будущего экспериментального исследования ранее недоступных квантовых многочастичных явлений».
Глеб Федоров, ведущий научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ
Разработчики показали, что известная из физики твердого тела Zig-Zag модель с высокой точностью соответствует цепочке правильно расположенных поляризационных трансмонов. Реализуемость архитектуры предварительно проверили с помощью трехмерного электромагнитного моделирования в классическом линейном режиме: джозефсоновские переходы заменяли линейными индуктивностями, а рассчитанные собственные моды девятиэлементной цепочки сравнивали с волновыми функциями модели вторичного квантования.
Джозефсоновский переход — это тонкий изолирующий слой между двумя сверхпроводниками, через который электрический ток проходит благодаря квантовому эффекту. Это один из основных элементов сверхпроводниковых кубитов.
Работа формирует теоретическую и инженерную основу для будущего эксперимента и открывает путь к исследованию топологических квантовых систем с несколькими орбиталями, многочастичных явлений и топологических материалов.
Читайте также:
Россия развивает квантовые компьютеры на четырех платформах
Российские разработчики начали продавать квантовые компьютеры