Научный коллектив МФТИ и Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН предложил уникальную архитектуру сверхпроводникового квантового симулятора на основе поляризационных трансмонов. Разработка предназначена для изучения топологических и многочастичных квантовых явлений и состояний. Результаты опубликованы в международном журнале Advanced Quantum Technologies. Такие устройства позволяют воспроизводить сложные физические системы в управляемых условиях и изучать явления, которые трудно наблюдать в природных материалах или рассчитывать на обычных компьютерах.
Новое перспективное направление связано с использованием метаатомов — искусственно созданных микроскопических элементов, которые взаимодействуют с электромагнитным полем подобно обычным атомам, но их свойства задаются конструкцией заранее. Топологическими называют состояния, свойства которых определяются не только отдельными элементами, но и общей структурой системы. Одно из таких свойств — краевые состояния, когда возбуждение сосредоточено у границы системы и выдерживает даже существенные нарушения структуры материала. Исследовать такие эффекты в природных материалах сложно: их трудно синтезировать и подключаться к отдельным атомам, тогда как джозефсоновские искусственные системы позволяют произвольно задавать и варьировать взаимодействия между элементами, воспроизводить разные физические режимы на одном образце.
В качестве элементов нового симулятора учёные впервые предложили использовать поляризационные трансмоны — искусственные атомы, образованные четырьмя сверхпроводниковыми островками, соединёнными джозефсоновскими переходами. Такой элемент поддерживает две вырожденные ортогональные дипольные моды — два независимых способа колебания зарядов, направленных перпендикулярно друг другу. Поляризационные трансмоны предложено расположить в виде зигзагообразной цепочки: в такой геометрии сила взаимодействия между соседними элементами чередуется в зависимости от их взаимной ориентации. Авторы также учли дальнодействующее взаимодействие между элементами, следующими за ближайшими соседями, которое связывает два поляризационных подпространства и снимает вырождение энергетического спектра.
Исследователи аналитически и численно определили топологические фазы системы и условия переходов между ними, используя топологические инварианты и обратный коэффициент участия. Как пояснила научный сотрудник МФТИ Екатерина Коноплёва, поляризационные трансмоны могут служить элементарными ячейками сверхпроводникового симулятора зигзагообразной топологической модели, а дальнодействующие связи заметно меняют спектр и фазовую диаграмму системы. Разработчики показали, что известная из физики твёрдого тела Zig-Zag модель с высокой точностью соответствует цепочке правильно расположенных поляризационных трансмонов — это подтверждается согласованием волновых функций и собственных мод.
Реализуемость архитектуры авторы предварительно проверили с помощью трёхмерного электромагнитного моделирования: рассчитанные собственные моды девятиэлементной цепочки хорошо согласовались с волновыми функциями модели вторичного квантования. Работа формирует теоретическую и инженерную основу для будущего эксперимента и открывает путь к исследованию топологических квантовых систем с несколькими орбиталями, многочастичных явлений и топологических материалов. В долгосрочной перспективе масштабирование таких симуляторов позволит предсказывать свойства сложных материалов и искать ответы на фундаментальные вопросы физики — например, как квантовое поведение на микроуровне переходит к классическому.
Фото: ведущий научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Фёдоров, пресс-служба МФТИ
