[Из песочницы] Сверхпроводящий фотосинтез или как рассферичить вакуумного коня
Честно говоря, до недавнего времени я думал, что мы несколько ближе к созданию квантового компьютера и квантовым обсчетам реальных систем. Оказалось, что пока это больше напоминает вычисление формы сферического коня в вакууме. Более того, при том, что форма такого «коня» известна изначально, на выходе порой получается что-то среднее между «кубиком» и «медузой». И только сейчас физики потихоньку начинают подбираться к чему-то, действительно похожему на реальность.
Просветил меня о реальных возможностях квантовомеханических расчетов руководитель лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» профессор Алексей Устинов, с которым мы беседовали по поводу выхода статьи с его участием в Nature Communcations. Оказалось, в квантовой системе нельзя корректно ввести энергетические потери. А они есть, и этот выпирающий со всей очевидностью факт нельзя игнорировать бесконечно. Более того, они есть всегда — любое измерение квантовой системы ведет к её изменению и, как следствие, обмену энергией с внешней средой. То есть, любая квантовая система — открытая. И как тут не учесть потери?
Тем не менее, путём хитрых измышлений физики придумали несколько вариантов того, как потери энергии при взаимодействии кванта света и вещества не учитывать. Для начала они вспомнили, что почти любое вещество состоит из атомов, каким-то способом друг с другом взаимодействующих. Довольно часто эти самые атомы образуют друг с другом довольно прочные связи и собираются в молекулы. Но последнее соображение для нас не так важно, как то, что между атомами образуются новые связи — молекулярные. И длина этой связи меняется с некоей периодичностью. Соответственно, систему из двух атомов можно математически описать как гармонический осциллятор. Вот таким набором гармонических осцилляторов и представлено вещество в квантовой механике.
Следующий пасс руками похож на то, что моя старшая дочь вытворяла периодически при решении задач по геометрии, говоря: «Пусть это угол будет равен 30 градусов». Примерно также звучит допущение «Пусть сила взаимодействия кванта света и вещества пренебрежимо мала». Круче только символ веры современных квантовиков — уравнение Шредингера, которое само по себе не выводится, а постулируется. Тем не менее, такие игры разума позволили кое-как описать происходящие в квантовомеханических системах процессы. Ключевое слово тут, конечно, «кое-как». Под это определение попадают и модель Джеймса-Каммингса, которая описывает взаимодействие всего лишь одного, да и то двухуровневого атома с одним осциллятором при жестко ограничивающих систему условиях.
Казалось бы, в чем проблема? Раз есть взаимодействие, надо его учесть. Но даже для описанного выше «сферического коня в вакууме» решить это самое уравнение Шредингера, которое, по сути, пытается описать строение атома, точно удалось лишь для системы «один протон — один электрон». Всё остальное — приближение. Тем не менее, хочется детально понимать, что происходит в тех же лазерах, например. Это если говорит о мирном кванте. Кроме того, непонимание фундаментальных свойств квантовых систем может привести к компрометации каналов связи, основанных на методах квантовой криптографии. А этот параноидальный аргумент из арсенала военных.
Хотя, давайте всё же про мирные технологии. Самый мирный квантовый процесс — фотосинтез. Собственно, он и стал тем механизмом, который попытались понять квантовые физики. Опять же, пока на самой простой модели — двухуровневом атоме и одной моде. Но уже с учетом сильного взаимодействия света и вещества, которое составляет примерно 60% от величины энергетического уровня. Как мы помним, для случаев, когда сила взаимодействия между светом и веществом большая, методов расчета нет. Поэтому на помощь пришло моделирование, называемое квантовой симуляцией. С помощью сверхпроводящих схем ученые создали модель, на которой можно посмотреть, как возникает сильное взаимодействие. Отследить его можно за счёт эдаких надколебаний или, по научному, биений — это не только когда осциллятор колеблется с определенным периодом, но и когда величина (амплитуда) колебаний осциллятора начинает колебаться со своим периодом (см. рисунок ниже). Вот такие биения и удалось зафиксировать в эксперименте.
Вы спросите, откуда стало известно, что биения там должны были появиться? Такие простые системы, когда частица может совершать только один энергетический переход между уровнями, всё-таки можно рассчитать на компьютере. Что-то более сложное — уже практически невозможно. Только ручками собирать систему кубитов, охлаждать их до сотых долей Кельвина и проводить измерения. Так что подвалы НИТУ «МИСиС» продолжают периодически превращаться в самое холодное место в Москве.
