Продвижение квантовых материалов, эффективных сетей связи

Новый проект, исследующий новые применения сверхпроводящих резонаторов, обнаружил, что эти системы могут использоваться для моделирования квантовых материалов, которые невозможно иначе изготовить. Кроме того, они могут дать представление об открытых и фундаментальных вопросах квантовой механики и гравитации.

Проект армии США, исследующий новые применения сверхпроводящих резонаторов, обнаружил, что эти системы могут использоваться для моделирования квантовых материалов, которые невозможно изготовить иначе. Кроме того, они могут дать представление об открытых и фундаментальных вопросах квантовой механики и гравитации.

Ученые из Принстонского университета во главе с профессором по электротехнике Эндрю Хоук построили электронный чип на микрочипе, который имитирует взаимодействие частиц в гиперболической плоскости, геометрической поверхности, в которой пространство изгибается от самого себя в каждой точке.

«Это исследование может продвинуть квантовое моделирование таким образом, чтобы мы могли не только лучше понять материалы, относящиеся к целям армии, но и помочь нам исследовать вопросы, находящиеся на переднем крае других областей актуальности армии», — сказала д-р Сара Гэмбл. руководитель программы Исследовательского управления армии, входящего в состав Исследовательской лаборатории армии по развитию боевых возможностей армии США. «В дополнение к потенциальным приложениям материалов, фантастические результаты, полученные исследовательской группой, могут дать представление о сетях связи и в конечном итоге позволяют DOD разрабатывать более эффективные сетевые возможности».

Исследование, опубликованное в журнале Nature, использовало сверхпроводящие схемы для создания решетки, которая функционирует как гиперболическое пространство. Когда исследователи вводят фотоны в решетку, они могут ответить на широкий круг сложных вопросов, наблюдая взаимодействия фотонов в моделируемом гиперболическом пространстве.

«Проблема в том, что если вы хотите изучать очень сложный квантово-механический материал, то компьютерное моделирование очень сложно», — говорит доктор Алисия Коллар, научный сотрудник Принстонского центра сложных материалов. «Мы пытаемся реализовать модель на аппаратном уровне, чтобы природа выполняла за вас трудную часть вычислений».

Микросхема сантиметрового размера протравлена цепью сверхпроводящих резонаторов, которые обеспечивают пути для движения и взаимодействия микроволновых фотонов. Резонаторы на чипе расположены в виде решетчатых семиугольников или семисторонних многоугольников. Структура существует на плоской плоскости, но имитирует необычную геометрию гиперболической плоскости.

«В нормальном трехмерном пространстве гиперболическая поверхность не существует», — сказал профессор электротехники из Принстона Эндрю Хоук. «Этот материал позволяет нам начать думать о смешении квантовой механики и искривленного пространства в лабораторных условиях».

Попытка навязать трехмерную сферу на двухмерную плоскость показывает, что пространство на сферической плоскости меньше, чем на плоской плоскости. Вот почему формы стран кажутся растянутыми, когда нарисованы на плоской карте сферической Земли. Напротив, гиперболическая плоскость должна была бы быть сжата, чтобы соответствовать плоской плоскости.

Чтобы смоделировать эффект сжатия гиперболического пространства на плоскую поверхность, исследователи использовали специальный тип резонатора, называемый копланарный волноводный резонатор. Когда микроволновые фотоны проходят через этот резонатор, они ведут себя одинаково, независимо от того, является ли их путь прямым или извилистым. Извилистая структура резонаторов обеспечивает гибкость, позволяющую «раздавливать и сжимать» стороны семиугольников для создания плоской мозаичной структуры, сказал Коллар, который начинает преподавательскую должность в Университете штата Мэриленд и Объединенном квантовом институте.

Глядя на центральный семиугольник чипа, все равно что смотреть через объектив «рыбий глаз», в котором объекты на краю поля зрения кажутся меньше, чем в центре — семиугольники выглядят меньше, чем дальше от центра. Такое расположение позволяет микроволновым фотонам, которые движутся через резонаторную схему, вести себя как частицы в гиперболическом пространстве.

Способность чипа симулировать искривленное пространство может позволить новые исследования в квантовой механике, включая свойства энергии и вещества в искривленном пространстве-времени вокруг черных дыр. Материал также может быть полезен для понимания сложных связей в математической теории графов и коммуникационных сетях. Коллар отметил, что это исследование может в конечном итоге помочь в разработке новых материалов.

Но сначала она и ее коллеги должны будут продолжить разработку фотонного материала, продолжая изучать его математическую основу и вводя элементы, которые позволяют фотонам в цепи взаимодействовать.

«Сами по себе микроволновые фотоны не взаимодействуют друг с другом — они проходят сквозь них», — сказал Коллар. Большинство применений материала потребует «сделать что-то, чтобы сделать так, чтобы они могли сказать, что там есть другой фотон».

«Исследовательская группа формирует связи с исследователями в других дисциплинах благодаря этим результатам, и добавление фотонных взаимодействий в системы расширит область применения для дальнейшего развития возможностей армии», — сказал Гэмбл.