Квантовый ключ к загадке Хаббарда: китайцы нашли путь к сверхпроводимости

Китайская исследовательская группа достигла значительного успеха в области квантовых вычислений, создав устройство, способное моделировать движение электронов в твердом теле.

Эта работа, опубликованная в журнале Nature, демонстрирует потенциал квантовых компьютеров превзойти даже самые мощные суперкомпьютеры. Понимание поведения электронов имеет важное значение для научных достижений, особенно в области магнетизма и высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Эти материалы могут произвести революцию в передаче электроэнергии и транспорте, что приведет к значительной экономии энергии и технологическому прогрессу.

Создание специализированных квантовых симуляторов, способных решать сложные научные задачи, является второй стадией исследований в области квантовых вычислений в Китае. На этом этапе команда под руководством Пань Цзяньвэя из Университета науки и технологии Китая сосредоточилась на моделировании фермионной модели Хаббарда. Эта модель, предложенная британским физиком Джоном Хаббардом в 1963 году, описывает движение электронов в кристаллических решетках и имеет важное значение для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости.

Несмотря на свою значимость, модель Хаббарда крайне сложна для моделирования. Нет точного решения для этой модели в двух- или трехмерном пространстве, и даже самые мощные суперкомпьютеры сталкиваются с трудностями при исследовании ее параметров из-за высоких вычислительных требований. Моделирование движения 300 электронов с использованием классических компьютеров потребовало бы объема памяти, превышающего общее количество атомов во Вселенной.

Для преодоления этих трудностей исследовательская группа использовала методы машинного обучения в сочетании с предыдущими работами по гомогенным фермионным сверхтекучим жидкостям. Это позволило создать оптические решетки с равномерным распределением интенсивности, достичь ультранизких температур и разработать новые методы измерений для точной характеристики состояний квантового симулятора.

Исследование привело к наблюдению перехода материала из парамагнитного состояния в анферромагнитное, что может углубить понимание механизмов высокотемпературной сверхпроводимости. Полное понимание этих механизмов позволит масштабировать разработку, производство и применение новых высокотемпературных сверхпроводящих материалов, что может произвести революцию в таких областях, как передача электроэнергии, медицина и суперкомпьютеры.

Этот прорыв представляет собой значительный шаг вперед в исследованиях квантовых вычислений и может существенно способствовать развитию специализированных квантовых симуляторов для решения научных проблем, выходящих за рамки возможностей классических компьютеров.