Создан первый в мире метаматериал для квантовых компьютеров

• 
•  © rqc.ru

Группа ученых из Российского квантового центра, НИТУ «МИСиС», МФТИ и институтов Британии и Германии создала первый в мире квантовый метаматериал, который можно использовать в качестве элемента управления в сверхпроводящих электрических схемах.

Свойства метаматериалов определяются не столько атомами, из которых они состоят, сколько тем, в какие структуры эти самые атомы собраны. Каждая такая структура имеет размеры в сотни десятки или даже сотни нанометров и обладает собственным набором свойств, исчезающих при попытке разделить её на составляющие. Поэтому такую структуру называют мета-атом.

Ещё одно отличие атомов и мета-атомов до недавнего времени состояло в том, что свойства обычных атомов описывались уравнениями квантовой механики, а мета-атомов — классическими физическими уравнениями. Но создание кубитов привело к появлению потенциальной возможности сконструировать материал, состоящий из мета-атомов, состояние которых описывается только квантовомеханически. Правда, такая работа потребовала создания необычных кубитов.

Как пояснил первый автор работы, научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Кирилл Шульга, обычный кубит состоит из схемы, в которую входит три джозефсонских перехода. А в состав зеркального входят пять переходов, симметричных относительно центральной оси.

«Зеркальные кубиты задумывались нами как более сложная система, нежели обычные сверхпроводящие кубиты, — пояснил ученый. — Логика тут довольно простая: у более сложной (искусственно усложненной) системы с большим числом степеней свободы присутствует большее число факторов, которые могут влиять на её свойства. Меняя некие внешние параметры среды, в которой находится наш метаматериал, можно эти свойства включать и выключать, переводя зеркальный кубит из одного основного состояния с одними свойствами в другое, с другими свойствами».

В ходе эксперимента оказалось, что весь метаматериал, состоящий из зеркальных кубитов, может переключаться между двумя режимами: «В одном из режимов цепочка таких кубитов очень хорошо пропускает электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, при этом оставаясь квантовым элементом, — рассказывает ещё один автор работы Илья Беседин. — В другом она поворачивает сверхпроводящую фазу на 180 градусов и запирает прохождение электромагнитных волн через себя. И тоже при этом остаётся квантовой системой. Так что при помощи магнитного поля такой материал можно использовать как управляющий элемент в системах передачи квантовых сигналов (отдельных фотонов) в цепях, из которых состоят развивающиеся сейчас квантовые компьютеры», — подчеркнул исследователь.

Точно просчитать свойства одного зеркального кубита на обычном компьютере сложнее, чем обычного кубита. Усложнив такой кубит ещё в несколько раз, можно достигнуть предела сложности, уже близкого или превосходящего возможности современных электронных компьютеров. Такую сложную систему можно использовать как квантовый симулятор, то есть устройство, способное предсказать и смоделировать свойства некого реального процесса или материала.Как говорят авторы работы, им пришлось перебрать множество теорий, чтобы правильно описать процессы, происходящие в квантовом мета-материале.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.