Honnêtement, jusqu'à récemment, je pensais que nous étions un peu plus près de créer un ordinateur quantique et l'informatique quantique de systèmes réels. Il s'est avéré que, bien que cela ressemble plus à calculer la forme d'un cheval sphérique dans le vide. De plus, malgré le fait que la forme d'un tel «cheval» était connue depuis le début, le résultat est parfois quelque chose entre le «cube» et la «méduse». Et ce n'est que maintenant que les physiciens commencent lentement à se rapprocher de quelque chose qui ressemble vraiment à la réalité.
J'ai été éclairé sur les possibilités réelles des calculs de mécanique quantique par le chef du Laboratoire des supraconducteurs des métamatériaux de NUST MISiS, le professeur Alexei Ustinov, avec qui nous avons discuté de la publication d'un
article avec sa participation à Nature Communcations. Il s'est avéré que dans un système quantique, il est impossible d'introduire correctement les pertes d'énergie. Mais ils le sont, et ce fait, qui ressort de toute évidence, ne peut être ignoré indéfiniment. De plus, ils sont toujours là - toute mesure d'un système quantique entraîne son changement et, par conséquent, l'échange d'énergie avec l'environnement. Autrement dit, tout système quantique est ouvert. Et comment ne pas prendre en compte les pertes?
Néanmoins, par des inventions astucieuses, les physiciens ont trouvé plusieurs options pour la façon dont les pertes d'énergie lors de l'interaction d'un quantum de lumière et de matière ne sont pas prises en compte. Pour commencer, ils se sont souvenus que presque toutes les substances sont constituées d'atomes qui interagissent d'une manière ou d'une autre. Très souvent, ces mêmes atomes forment des liaisons assez fortes les uns avec les autres et s'assemblent en molécules. Mais la dernière considération n'est pas aussi importante pour nous que le fait que de nouvelles liaisons se forment entre les atomes - les liaisons moléculaires. Et la durée de cette connexion varie avec une certaine périodicité. En conséquence, un système de deux atomes peut être décrit mathématiquement comme un oscillateur harmonique. C'est avec un tel ensemble d'oscillateurs harmoniques que la matière est représentée en mécanique quantique.
Le prochain passage avec mes mains est similaire à ce que ma fille aînée se levait périodiquement lors de la résolution de problèmes de géométrie, en disant: "Que cet angle soit de 30 degrés." L'hypothèse «Que la force d'interaction d'un quantum de lumière et d'une substance soit négligeable» semble à peu près la même. Steeper n'est que le credo des quantistes modernes - l'équation de Schrödinger, qui en soi n'est pas inférée, mais postulée. Néanmoins, de tels jeux de l'esprit ont permis de décrire en quelque sorte les processus se produisant dans les systèmes de mécanique quantique. Le mot clé ici, bien sûr, est "en quelque sorte". Cette définition inclut également le modèle de James-Cummings, qui décrit l'interaction d'un seul, et même d'un atome à deux niveaux avec un oscillateur dans des conditions système sévèrement limitantes.
Il semblerait, quel est le problème? Puisqu'il y a interaction, il faut en tenir compte. Mais même pour le «cheval sphérique dans le vide» décrit ci-dessus, cette équation même de Schrödinger, qui, en fait, tente de décrire la structure de l'atome, ne pourrait être résolue que pour le système «un proton - un électron». Tout le reste est une approximation. Néanmoins, je veux comprendre en détail ce qui se passe dans les mêmes lasers, par exemple. C'est s'il parle d'un quantum pacifique. De plus, une mauvaise compréhension des propriétés fondamentales des systèmes quantiques peut conduire à un compromis des canaux de communication basés sur des méthodes de cryptographie quantique. Et cet argument paranoïaque vient de l'arsenal des militaires.
Parlons quand même de technologie pacifique. Le processus quantique le plus pacifique est la photosynthèse. En fait, c'est devenu le mécanisme que les physiciens quantiques ont essayé de comprendre. Encore une fois, alors que sur le modèle le plus simple - un atome à deux niveaux et un mode. Mais en tenant déjà compte de la forte interaction de la lumière et de la matière, qui représente environ 60% du niveau d'énergie. Comme nous nous en souvenons, pour les cas où la force d'interaction entre la lumière et la matière est importante, il n'y a pas de méthode de calcul. Par conséquent, la modélisation est venue à la rescousse, appelée simulation quantique. En utilisant des circuits supraconducteurs, les scientifiques ont créé un modèle sur lequel vous pouvez voir comment une interaction forte se produit. Vous pouvez le suivre en raison d'une sorte d'incidence ou, en termes scientifiques, de battements - ce n'est pas seulement lorsque l'oscillateur oscille avec une certaine période, mais aussi lorsque la magnitude (amplitude) des oscillations de l'oscillateur commence à osciller avec sa période (voir la figure ci-dessous). Ces battements ont pu être fixés dans l'expérience.
Vous demandez, comment a-t-on appris que les battements étaient censés y apparaître? De tels systèmes simples, lorsqu'une particule ne peut effectuer qu'une seule transition énergétique entre les niveaux, peuvent toujours être calculés sur ordinateur. Quelque chose de plus compliqué est presque impossible. Seulement avec des stylos pour assembler un système de qubits, les refroidir au centième de Kelvin et prendre des mesures. Les sous-sols de NUST «MISiS» continuent donc de devenir périodiquement l'endroit le plus froid de Moscou.