Международная группа, состоящая из российских и немецких ученых, создала первый в мире квантовый метаматериал, который можно использовать в качестве элемента управления в сверхпроводящих электрических схемах. Подробности исследования опубликованы в журнале в журнале Nature Communications.

Метаматериалы – вещества, свойства которых определяются не столько атомами, из которых они состоят, сколько структурой вещества. Каждая такая структура имеет размеры в десятки или даже сотни нанометров и обладает собственным набором свойств, исчезающих при попытке разделить ее на составляющие. Еще одно отличие атомов и мета-атомов до недавнего времени состояло в том, что свойства обычных атомов описывались уравнениями квантовой механики, а мета-атомов -– классическими физическими уравнениями. Но создание кубитов привело к появлению потенциальной возможности сконструировать материал, состоящий из мета-атомов, состояние которых описывается в терминах квантовой механики. Правда, такая работа потребовала создания необычных, «зеркальных», кубитов.

«Зеркальные кубиты задумывались нами как более сложная система, нежели обычные сверхпроводящие кубиты. Логика тут довольно простая: у более сложной (искусственно усложненной) системы с большим числом степеней свободы присутствует большее число факторов, которые могут влиять на её свойства. Меняя некие внешние параметры среды, в которой находится наш метаматериал, можно эти свойства включать и выключать, переводя зеркальный кубит из одного основного состояния с одними свойствами в другое, с другими свойствами», – пояснил один из авторов работы, научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Кирилл Шульга

Микрофото и схема зеркального кубита. Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

В ходе эксперимента оказалось, что весь метаматериал, состоящий из зеркальных кубитов, может переключаться между двумя режимами:

«В одном из режимов цепочка таких кубитов очень хорошо пропускает электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, при этом оставаясь квантовым элементом, – рассказал соавтор работы, инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Беседин. – В другом она поворачивает сверхпроводящую фазу на 180 градусов и запирает прохождение электромагнитных волн через себя. И тоже при этом остается квантовой системой. Так что при помощи магнитного поля такой материал можно использовать как управляющий элемент в системах передачи квантовых сигналов (отдельных фотонов) в цепях, из которых состоят развивающиеся сейчас квантовые компьютеры.

Точно просчитать свойства одного зеркального кубита на обычном компьютере сложнее, чем обычного кубита. Усложнив такой кубит еще в несколько раз, можно достигнуть предела сложности, уже близкого или превосходящего возможности современных компьютеров. Такую сложную систему можно использовать как квантовый симулятор, то есть устройство, способное предсказать и смоделировать свойства некого реального процесса или материала.