Холодные атомы и ионы позволяют моделировать сложные квантовые процессы

Группа исследователей из России, Германии и Ирана разрабатывает вычислительные методы для создания теории, описывающей поведение холодных атомов и ионов в оптических и электромагнитных ловушках. С их помощью можно моделировать полностью контролируемые квантовые системы сложных процессов — от физики твердого тела до физики высоких энергий. Обсуждаются проекты по конструированию элементов квантового компьютера и сверхточных атомных часов на основе ультрахолодных атомов и ионов, «плененных» в ловушках. Результаты последних исследований группы были представлены на конференции Grid, Cloud and High-Performance Computing in Science. Работа опубликована в журнале Physical Review E.

При сверхнизких температурах порядка нескольких нанокельвин атомы двигаются с очень малой скоростью, что позволяет проводить с их помощью высокоточные опыты. Для интерпретации и планирования экспериментов, однако, требуются сложные теоретические расчеты. Квантовый газ при сверхнизких температурах удерживается в оптической ловушке, формируемой лазерами. Разработанная экспериментальная техника дает возможность контролировать и управлять параметрами такой квантовой системы: числом частиц, их спиновым составом, температурой и, что очень существенно, эффективным взаимодействием между атомами. Впрочем, то обстоятельство, что в таких системах атомы взаимодействуют не только друг с другом, но еще и с ловушкой, существенно усложняет возможность количественно описать происходящие процессы.

«Ловушка вносит свои сложности в задачу. В свободном пространстве нет выделенных направлений. Это обстоятельство позволяет свести шестимерную квантовую задачу о столкновении двух атомов к одномерной. Это ключевая задача квантовой механики, описанная в учебниках. В атомной ловушке появляется выделенное направление, симметрия здесь нарушается, что делает невозможным сведение задачи к одномерию. В специальных случаях задачу можно свести к двумерному уравнению Шредингера, но в большинстве интересных случаев возникает необходимость интегрирования уравнения Шредингера большей размерности. Для решения этого класса задач нужно разрабатывать специальные вычислительные методы и использовать мощные компьютеры. В этом направлении нам удалось существенно продвинуться», — рассказал автор доклада, доктор физико-математических наук из РУДН Владимир Мележик.

Изменяя параметры ловушки, можно управлять интенсивностью эффективных межатомных взаимодействий — от сверхсильного притяжения до сверхсильного отталкивания атомов. Это обстоятельство позволяет моделировать различные критические квантовые явления с помощью атомов в ловушках.

«Одно из направлений нашей работы — численное исследование ультрахолодных квантовых систем с помощью гибридных атомно-ионных ловушек, открывающих новые возможности для моделирования некоторых актуальных процессов физики твердого тела, элементов квантового компьютера и исследований в области прецизионной физики», — заключил ученый.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.