Уникальный квантовый симулятор на основе поляризационных трансмонов — искусственных атомов на базе сверхпроводников — представила команда ученых из Московского физико-технического института и Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН. Новая система поможет моделировать поведение топологических изоляторов — особых материалов, которые могут пригодиться в квантовых вычислениях, устройствах памяти, фотонике и других областях. Деталями технологии с корреспондентом «Научной России» поделилась один из авторов работы, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Екатерина Евгеньевна Коноплева.
Квантовые симуляторы топологических моделей — перспективная технология. Они дают возможность воссоздавать сложные физические системы в контролируемых условиях и глубже познавать процессы, которые сложно исследовать в природных материалах или в виде обычных компьютерных моделей. Среди возможных основ для квантовых симуляторов рассматриваются метаатомы, или искусственные атомы, — микроскопические элементы, взаимодействующие с электромагнитным полем так же, как реальные атомы. При этом их свойства можно задать заранее — достаточно правильно продумать конструкцию.
В новом исследовании российских физиков в качестве метаатомов впервые применяются поляризационные трансмоны. Каждый из этих элементов поддерживает два независимых способа колебания зарядов, направленных перпендикулярно друг другу. Поляризационный трансмон состоит из четырех сверхпроводниковых островков, связанных джозефсоновскими переходами — тонкими изолирующими перегородками, сквозь которые электрический ток проходит благодаря квантовому эффекту. Джозефсоновские переходы — одна из ключевых составляющих сверхпроводниковых кубитов в квантовых вычислениях.
«Квантовый симулятор представляет собой управляемую квантовую систему, которая описывается той же математической моделью, что и исследуемая естественная квантовая система, например квантовый материал. Этот подход аналогичен использованию аэродинамической трубы: вместо численного моделирования каждого микроскопического процесса мы создаем управляемую физическую систему, воспроизводящую соответствующие физические явления, — объяснила Е.Е. Коноплева. — Квантовые материалы — это термин из физики конденсированного состояния, обозначающий вещества, чьи макроскопические свойства не могут быть объяснены классической физикой или одночастичной квантовой механикой, а возникают из сложного коллективного квантового поведения. Мы исследуем топологические изоляторы — материалы, которые в объеме представляют собой диэлектрики, а на поверхности или краях обладают устойчивыми проводящими состояниями. Топологические изоляторы могут найти применение в области квантовых вычислений (топологические кубиты), спинтроники (устройства памяти), фотоники (волноводы, лазеры, сенсоры и т.д.) и в других областях».
Изучение вышеописанных эффектов — так называемых топологических краевых состояний — в природных материалах ограничено из-за трудностей синтеза и сложности «фокусировки» наблюдений на отдельных атомах. В то же время сверхпроводниковый квантовый симулятор позволяет воссоздавать разные процессы подобного рода на одном устройстве и нужным образом «настраивать» взаимодействие отдельных метаатомов.
«Свойства собственных состояний такой системы изучаются методами микроволновой спектроскопии, которая позволяет измерять отклик системы на СВЧ-сигнал в зависимости от частоты, мощности и других параметров. Управление экспериментом и обработка данных осуществляются с помощью компьютеризированных систем, а для считывания отклика применяется специализированная СВЧ-измерительная аппаратура», — рассказала Е.Е. Коноплева.
Подробнее об установке, запечатленной на фотографиях в материале, рассказал старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Петрович Федоров:
«На фотографиях показаны элементы криогенной установки для экспериментов со сверхпроводящими квантовыми схемами.
Гибкие коаксиальные кабели проходят через все температурные ступени криостата и передают сигналы к исследуемой микросхеме. Плотный тепловой контакт с охлаждаемыми пластинами позволяет отводить тепло, которое иначе поступало бы к чувствительному квантовому устройству.
Специалист закрепляет волновод внутри криостата. От качества контактов зависит, насколько хорошо сохранятся управляющие импульсы к тому моменту, как они достигнут квантовой схемы: даже небольшие отражения и потери приводят к искажениям сигналов.
На медной раме установлены криогенные СВЧ-изоляторы — элементы защиты от термальных шумов внутри криостата, приходящих от наружного электронного оборудования.
В центре круглого держателя расположен чип, соединенный тончайшими проводниками с дорожками платы и внешними разъемами. Конструкция позволяет подавать на микросхему управляющие сигналы и измерять ее отклик, что представляет собой необходимые операции при экспериментах с квантовыми устройствами.
Между охлаждаемыми пластинами кабели уложены петлями, создающими запас длины для температурного сжатия материалов, достигающего нескольких процентов. Такая укладка помогает избежать механических нагрузок на соединения и обеспечить сохранность сигнальных линий в течение десятков и сотен термоциклирований».
При масштабировании подобные симуляторы могут помочь прогнозировать свойства сложных материалов, исследовать сложные многочастичные явления, которые прежде были недосягаемы для ученых, а также исследовать вопросы фундаментальной физики, такие как взаимосвязь между микроскопическими квантовыми эффектами и тем, что в это время происходит на привычном для нас макроуровне.
«Разработанный квантовый симулятор позволяет исследовать многочастичные нетривиальные возбуждения в топологических моделях с орбитальными степенями свободы, что до сих пор не было экспериментально продемонстрировано в научной литературе. Кроме того, технология открывает возможности для масштабирования решеток и развития новых связанных технологий и методов, необходимых для реализации подобных систем», — отметила Е.Е. Коноплева.
Поляризационные трансмоны в новом симуляторе расположены в виде зигзагообразной цепочки. Исследователи создавали систему с учетом дальнодействующего взаимодействия между элементами — связи между поляризационными трансмонами, которые следуют за ближайшими соседями. Это обеспечило работу симулятора как единого целого. Перед тем, как конструировать устройство, ученые проверили реализуемость технологии с помощью специального компьютерного моделирования, позволяющего рассчитать электрические и магнитные поля внутри системы с учетом ее трехмерной формы.
Исследователи подтвердили, что созданный ими квантовый симулятор с высокой точностью воспроизводит «зигзагообразную» топологическую модель (или Zig-Zag модель) из физики твердого тела. Она напрямую связана с уже упомянутыми топологическими краевыми состояниями.
«Топологическая модель Zig-Zag является теоретическим обобщением известной модели Су—Шриффера—Хигера (SSH). Модель SSH, в свою очередь, описывает электронные свойства реального материала — полиацетилена. Модель Zig-Zag была предложена для изучения поведения систем с дополнительными орбитальными степенями свободы, а именно p_x- и p_y-орбиталями, в геометрии зигзагообразной цепочки. Известно, что такие орбитальные степени свободы приводят к возникновению топологических краевых состояний, обладающих орбитальной поляризацией, — пояснила Е.Е. Коноплева. — Наш квантовый симулятор построен специально для изучения модели Zig-Zag, поэтому исследование других моделей с его помощью невозможно. Тем не менее на основе используемых искусственных атомов возможны масштабирование и изучение других орбитальных моделей».
Элементы криогенной установки для экспериментов со сверхпроводящими квантовыми схемами.
Фото: Анастасия Каплина / пресс-служба МФТИ
Результаты работы ученые представили в журнале Advanced Quantum Technologies. Вместе с Е.Е. Коноплевой в коллектив авторов вошли старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ кандидат физико-математических наук Глеб Петрович Федоров и заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Олег Владимирович Астафьев. Исследование получило поддержку Российского научного фонда (грант № 25-22-00280).
По словам Е.Е. Коноплевой, в ближайшее время ее команде предстоит серия экспериментов с новым симулятором. Дальнейшее развитие технологии будет зависеть от выбранного учеными направления исследований.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: Анастасия Каплина / пресс-служба МФТИ.
