Представьте, что вы можете изучать материю на квантовом уровне, где крошечные частицы могут взаимодействовать более чем в триллионе конфигураций одновременно.
Это звучит сложно, и так оно и есть: физики часто полагаются на суперкомпьютеры или даже на искусственный интеллект для моделирования таких квантовых систем и их возможных состояний. Но что, если многие из этих задач можно будет решить на обычном ноутбуке?
Физики из Университета Буффало значительно продвинулись в этом направлении. Они расширили вычислительно доступный метод, известный как усечённое приближение Вигнера (TWA) — своего рода физический ярлык, который делает квантовую математику более управляемой — на задачи, которые раньше требовали огромных вычислительных мощностей.
Что это значит?
Подход, описанный в исследовании, опубликованном в сентябре в PRX Quantum, также предоставляет практичный и удобный шаблон TWA, который позволяет физикам подставить свою задачу и получить полезные результаты за несколько часов.
«Наш подход предлагает значительно более низкие вычислительные затраты и гораздо более простую формулировку динамических уравнений», — говорит автор исследования Джамир Марино, доктор философии, доцент кафедры физики в Колледже искусств и наук Университета Буффало. «Мы думаем, что этот метод может в ближайшем будущем стать основным инструментом для изучения такого рода квантовой динамики на компьютерах потребительского уровня».
Марино, который присоединился к UB этой осенью, проводил работу над исследованием в Университете Иоганна Гутенберга в Майнце, Германия. Соавторами исследования являются двое его студентов, Хоссейн Хоссейнабади и Оксана Челпанова, последняя из которых сейчас является научным сотрудником в лаборатории Марино в UB.
Не каждую квантовую систему можно решить точно. Это было бы непрактично, поскольку требуемая вычислительная мощность растёт экспоненциально по мере усложнения системы. Вместо этого физики часто обращаются к так называемой полуклассической физике — подходу, который сохраняет достаточно квантового поведения, чтобы оставаться точным, отбрасывая детали, которые мало влияют на результат.
TWA — это один из таких полуклассических подходов, который восходит к 1970-м годам, но ограничен изолированными идеализированными квантовыми системами, где энергия не приобретается и не теряется.
Поэтому команда Марино расширила TWA до более сложных систем, встречающихся в реальном мире, где частицы постоянно подталкиваются и вытягиваются внешними силами и теряют энергию в окружающую среду, иначе известная как диссипативная спиновая динамика.
«Многие группы пытались сделать это до нас. Известно, что некоторые сложные квантовые системы можно решить эффективно с помощью полуклассического подхода», — говорит Марино. «Однако реальная задача заключалась в том, чтобы сделать его доступным и лёгким в использовании».
В прошлом исследователи, стремившиеся использовать TWA, сталкивались со сложностями. Им приходилось заново выводить математику каждый раз, когда они применяли метод к новой квантовой задаче.
Команда Марино превратила то, что раньше было страницами плотной, почти непроницаемой математики, в таблицу преобразований, которая переводит квантовую задачу в решаемые уравнения.
«Физики могут освоить этот метод за один день, а примерно к третьему дню они решают некоторые из самых сложных задач, представленных в исследовании», — говорит Челпанова.
Оптический чип для программируемой работы со светом
Исследователи из Корнелла создали программируемый оптический чип, который может изменять цвет света путём слияния фотонов, не требуя при этом нового чипа для новых цветов.
Эта форма нелинейной фотоники потенциально может быть использована для классических и квантовых коммуникационных сетей, полностью оптических систем обработки сигналов и вычислений, спектроскопии и сенсоринга.
«Раньше для каждой комбинации цветов, которую вы хотели получить, вам нужно было изготовить новое устройство с другим дизайном», — сказал Питер МакМэхон, доцент кафедры прикладной и инженерной физики в Корнелле, который руководил проектом. «Теперь у нас есть своего рода универсальное устройство, которое позволяет вам выполнять любые преобразования, которые вы хотите, перепрограммируемо».
Находки опубликованы в Nature. Первый автор статьи — Риотацу Янагимото, бывший научный сотрудник лаборатории МакМэхона и приглашённый учёный из NTT Research.
В режиме линейной оптики частота — то есть цвет — фотонов не меняется, и фотоны склонны игнорировать друг друга. Большинство оптических систем, с которыми люди сталкиваются в повседневной жизни, от очков до экранов мобильных телефонов, относятся к этой категории.
Но в нелинейной оптике фотоны взаимодействуют друг с другом и могут изменять частоту. Ограниченные законами сохранения энергии, один фотон с более высокой энергией может быть преобразован в два фотона с половиной энергии. И наоборот, два фотона с более низкой энергией в нелинейной оптической среде могут быть объединены в один фотон с более высокой энергией. Команда МакМэхона продемонстрировала последнее с помощью своего чипа.
Чтобы добиться этого, они объединили две концепции. Первая заключалась в применении сильного электрического поля над чипом с помощью высоковольтных датчиков, что позволило осуществлять преобразование частоты в материале, который обычно этого не допускал. Вторая идея пришла из совершенно другой области науки 20 лет назад, когда исследователи создали устройство, которое могло манипулировать биологическими клетками с помощью структурированного светового поля для программирования распределения электрического поля в устройстве.
Соавтор Логан Райт, ещё один бывший научный сотрудник в группе МакМэхона, понял, что тот же подход можно адаптировать для создания программируемых фотонных устройств.
«Комбинируя эти две техники, мы смогли контролировать материал, чтобы сделать его нелинейным в некоторых областях и не нелинейным в других», — сказал МакМэхон. «И оказывается, что из теории нелинейной оптики, если вы хотите контролировать цвета, которые вы получаете на выходе, вам нужно иметь возможность контролировать нелинейность кристалла как функцию пространства».
Ядро устройства представляет собой пластину кристалла в форме плиты, в которой свет может распространяться только из стороны в сторону, а не вверх или вниз. Исследователи направили лазерный свет в так называемый волновой канал и смогли контролировать то, как фотоны разного цвета могут быть объединены для получения света с разными цветами, выходящими из чипа.
Команда создала устройство в Центре наномасштабных наук и технологий Корнелла (CNF) в Даффилд-холле, где Бенджамин Эш ’26 сыграл заметную роль в разработке процесса изготовления, создании устройств и их тестировании.
Хотя устройство остаётся демонстрацией принципа работы, МакМэхон сказал, что если эффективность преобразования будет достаточно высокой, это может открыть ряд возможностей в программируемой нелинейной оптике, от создания новых источников света до оптических сетей.
«Теперь в оптических сетях люди часто используют разные цвета света внутри одного и того же куска волокна для передачи информации между компьютерами. Наше устройство было бы хорошим строительным блоком для использования на любом конце волокна, позволяя перепрограммируемо изменять длины волн света», — сказал МакМэхон.
«Также есть веские аргументы в пользу этого в квантовых сетях, где мы действительно хотели бы иметь возможность взаимодействовать с квантовыми битами, которые естественным образом излучают фотоны разных цветов. Мы хотим иметь возможность преобразовывать этот свет в телекоммуникационный диапазон, а также обратно в естественную длину волны другого квантового бита. Наличие устройства, в котором всё это возможно в одном пакете, кажется полезным инструментом».