Харківські фізики створюють нові інструменти для опису квантових матеріалів
Магнетики у банківських картках, перепустках та жорстких дисках, надпровідники у медичних томографах, напівпровідники у кожному телевізорі – усе це квантові матеріали, дослідження й розуміння властивостей яких залишається одним із головних викликів сучасної фізики. Проєкт «Новітні теоретичні підходи для всебічного опису корельованих квантових систем багатьох тіл», що виконується за підтримки Національного фонду досліджень України, спрямований саме на подолання розриву між фізичною реальністю та нашою здатністю її описати.
Керівник проєкту – Андрій Сотніков, провідний науковий співробітник Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут».
Чому саме ця ідея?
«Зі студентських років мене цікавлять задачі, які на перший погляд дуже складні, але можуть стати ключем для розвитку науки та технологій», – розповідає Андрій Сотніков. Саме такими є фізичні моделі корельованих квантових систем: магнетиків, напівпровідникових діодів, надпровідників. Ефекти, що виникають у таких матеріалах, базуються на колективній поведінці мільярдів елементарних частинок – електронів, іонів, атомів, – які рухаються й взаємодіють одночасно і між собою, і з зовнішніми полями. Коли частинки перебувають у квантовому режимі, вони не мають чітко визначеного положення в просторі, а їхня колективна поведінка породжує разючі ефекти, що лежать в основі сучасних технологій.
Описати таку систему надзвичайно складно. Навіть найпотужніший класичний комп’ютер, якщо застосовувати стандартні підходи, здатний коректно змоделювати систему лише з 10–20 квантових частинок – тоді як у реальних матеріалах їх мільярди. Паралелізація обчислень на суперкомп’ютерах майже не допомагає: це прояв фундаментального експоненційного зростання обчислювальних ресурсів із додаванням квантових ступенів вільності. Розв’язати цю проблему могли б квантові комп’ютери та відповідні протоколи виправлення помилок, але достатню потужність ці комп’ютери матимуть щонайменше після 2040 року.
«Ми не були готові сидіти й чекати», – розповідає керівник проєкту. Тому у 2024 році молодий науковець і його колеги вирішити подати грантову заявку, тим більше, що вже мали напрацювання та бачення – як розвинути альтернативні підходи для теоретичного опису складних квантових систем з використанням класичних обчислювальних ресурсів.
Кращі інструменти для складної задачі
«Можна сміливо сказати, що квантову механіку ніхто не розуміє», — з усмішкою цитує вчений знамениту фразу Нобелівського лауреата Річарда Фейнмана та додає: «Попри це, людство активно користується її результатами вже сто років і прагне рухатися далі».
«З розвитком квантових технологій і, зокрема, квантових комп’ютерів, ми все частіше усвідомлюємо, що в моделюванні квантових систем та унікальних властивостей матеріалів для сучасних і майбутніх технологій маємо дуже обмежений інструментарій, – зазначає Андрій Сотніков. – Ми ніби продовжуємо витягувати викруткою цвяхи, для яких мають бути більш зручні інструменти». Метою проєкту і є розробка кращих інструментів – вдосконалених квантово-механічних підходів, адаптованих під аналітичні розрахунки та можливості сучасних класичних комп’ютерів.
Зокрема, перспективним напрямом дослідження стало використання методів тензорних мереж. Суть підходу – у поданні хвильових функцій взаємодійних квантових частинок у вигляді мережі пов’язаних між собою математичних об’єктів: матриць і тензорів. Таке подання є одночасно компактним (його можна виконати на класичних комп’ютерах) і достатньо точним, аби відтворити квантово-механічну природу системи.
За словами співрозмовника, саме тензорні мережі є сьогодні основним конкурентом квантових комп’ютерів у моделюванні фізичних систем. Команди, що працюють з тензорними мережами, адаптують алгоритми цих мереж і – знову й знову – перевершують результати квантового комп’ютера у моделюванні фізичної поведінки квантових систем. Це підтверджують результати дослідження, які опубліковано у найпрестижніших наукових виданнях першого та другого квартилів.
Харків – «залізобетон»
Проєкт має фінішувати наприкінці 2026 року і, попри труднощі роботи в прифронтовому місті, команда виконує його з перевищенням планових показників. Зокрема, науковці розширили коло основних наукових завдань у проєкті та підготувала додаткові публікації. «Вдячний за це команді, особливо молодим вченим», – наголошує співрозмовник.
Чотири молодих учасники проєкту продовж його виконання перебувають у Харкові – в умовах постійної небезпеки. «Саме кмітливість та амбітний підхід молоді до досліджень надихали і підтримували мене у психологічно складні моменти», – додає науковець.
Окрім цього, були й практичні труднощі. Закупівля сучасного обладнання для обчислювального кластера виявилась значно складнішою, ніж планувалось – знецінення гривні та здорожчання комплектуючих (оперативна пам’ять, графічні процесори) вийшли за межі закладеного в кошторисі десятивідсоткового резерву на інфляцію. На щастя, команда зуміла знайти можливості для успішного продовження проєкту, але, як зауважує пан Андрій, ситуація на ринках комп’ютерного обладнання може унеможливити виконання подібних проєктів в інших командах. Тому, на його думку, в умовах грантової підтримки варто передбачити збільшення кошторису через інфляцію.
Мати ідею і чіткий план
«Якщо маєте оригінальну й перспективну ідею, яка цікава вам і вашій команді, і якщо відповідаєте формальним вимогам конкурсу, – не сумнівайтеся і подавайте заявку», – радить колегам пан Андрій. Головне – не відкладати оформлення документів на останні дні. Краще зайнятись ними одразу після оголошення умов конкурсу, щоб зберегти час для вдосконалення змістової частини. У колективних проєктах важливо розумно розподіляти завдання між учасниками, прислухатись до думок один одного і – дивитись на проєкт очима потенційного експерта. Досвідчені рецензенти вищі бали поставлять за досяжні плани, ніж за амбітні обіцянки без гарантій виконання.
І насамкінець – про команду. «Я пишаюсь рівнем взаємної підтримки у команді, – каже Андрій Сотніков. – Харків, справді – залізобетон!».
Інтерв’ю провела Світлана ГАЛАТА
