Почему идеальный магнит до сих пор недоступен

По всему миру исследователи работают над неотложной и удивительно сложной задачей: созданием экономичного, но мощного постоянного магнита , не содержащего редкоземельных элементов . Редкоземельные магниты являются важными компонентами двигателей электромобилей, систем отопления и охлаждения, роботов, инструментов и бытовой техники, а также необходимы для ветряных турбин, аудиоколонок и других систем. Мощный магнит, не содержащий редкоземельных элементов, имел бы практически неоценимую ценность, поскольку освободил бы потребителей от почти монополии Китая на редкоземельные элементы и магниты. Обход этой монополии почти наверняка в короткие сроки изменил бы геостратегические расчеты и глобальные цепочки поставок.

Удивительно, но ни одна физическая теория не исключает существования мощного магнита, не содержащего редкоземельных элементов. И все же, после более чем десяти лет интенсивных усилий многих исключительно талантливых людей, такой магнит так и не был обнаружен.

Теперь небольшая группа исследователей из Франции и США решила проверить интригующую гипотезу — что эту проблему можно решить с помощью квантовых компьютеров. «Для решения проблемы, существующей в квантовом мире, необходима математика квантовой механики», — заявляет Тео Пероннин , генеральный директор Alice & Bob , парижского стартапа, занимающегося разработкой квантовых компьютеров. Alice & Bob сотрудничает с Национальной лабораторией Лос-Аламоса и GE Vernova , получив финансирование в размере 3,9 млн долларов США от программы ARPA-E «Квантовые вычисления для вычислительной химии» Министерства энергетики США .

Почему редкоземельные магниты по-прежнему доминируют?

Известно, что более 67 000 соединений обладают той или иной степенью постоянного магнетизма. Однако ни одно из них не может сравниться с бесспорным лидером по постоянным магнитам — неодимом, железом и бором (NdFeB), который доминирует в мощных приложениях.

Более 15 лет исследователи использовали обычные высокопроизводительные компьютеры для поиска новых и мощных магнитов. Но ни один коммерчески успешный магнит не был получен в результате этой работы. Даже лучшие обычные компьютеры недостаточно мощны, чтобы смоделировать детальные магнитные свойства гипотетического постоянного магнита.

Чтобы понять почему, начнём с основ. Постоянный магнетизм возникает в некоторых кристаллических материалах, когда спины электронов некоторых атомов в кристалле вынуждены быть направлены в одном направлении, либо «вверх», либо «вниз». Чем больше таких выровненных спинов, тем сильнее магнетизм. Идеальными атомами являются те, у которых вокруг ядра циркулируют неспаренные электроны на так называемых 3d-орбиталях . К таким атомам относятся железо, имеющее четыре неспаренных 3d-электрона, и кобальт , имеющий три.

Однако одних только 3d-электронов недостаточно для создания сверхсильных магнитов. Как обнаружили исследователи несколько десятилетий назад, магнитную силу можно значительно улучшить, добавив к кристаллической решетке атомы с неспаренными электронами на 4f-орбитали — в частности, редкоземельные элементы неодим , празеодим и диспрозий. Эти 4f-электроны усиливают характеристику кристаллической решетки, называемую магнитной анизотропией — по сути, они способствуют прилипанию магнитных моментов атомов к желаемым направлениям в кристаллической решетке. Это, в свою очередь, можно использовать для достижения высокой коэрцитивной силы — важнейшего свойства, позволяющего постоянному магниту оставаться намагниченным.

Суть в том, что для точного моделирования гипотетического магнита необходимо учитывать не только все электронные орбитали и спиновые состояния, но и взаимодействие всех этих электронных орбиталей и спиновых состояний. А это действительно очень сложно.

«Предположим, у вас есть цепочка атомов, каждый из которых имеет один электрон на 1d-орбитали», — объясняет Пероннин. «И тогда вы хотите понять: если спин этого электрона направлен вниз, как это повлияет на его соседей? Будет ли их спин направлен вверх или вниз? И вам нужно сделать это для всех электронов в вашей цепочке. А затем посмотреть, имеет ли вся система тенденцию к выравниванию всех своих электронных спинов. Или, если вы добавите, например, немного теплового шума и внешнее магнитное поле, насколько сильно будет нарушен порядок в этой цепочке? И именно эти свойства вы хотите предсказать».

«Возникающие глобальные свойства [такие как магнетизм] возникают из локального поведения каждого электрона. Но поведение каждого электрона очень сильно коррелирует с поведением его соседей. И именно это делает задачу чрезвычайно сложной, потому что нельзя рассматривать каждый из этих электронов по отдельности. Необходимо рассматривать всю систему со всеми ее возможными конфигурациями одновременно, чтобы предсказать глобальные свойства. И именно здесь вычислительное пространство резко возрастает».

«Необходимо учитывать все возможные суперпозиции состояний этих электронов, — продолжает Пероннин. — И поэтому комбинаторное пространство здесь просто невероятно велико. Оно равно 2 в 40-й или 50-й степени. Оно просто колоссальное».

Почему квантовые компьютеры могут наконец решить эту проблему

Главное потенциальное преимущество квантовых компьютеров здесь заключается в квантовом параллелизме — возможности, которая непосредственно вытекает из кубитов, составляющих ядро ​​квантового компьютера. В такой машине эти кубиты запутаны друг с другом. Кубиты также находятся в состоянии суперпозиции , что означает, что они могут воплощать в макромире определенные квантовые характеристики субатомных частиц. А именно, они могут представлять двоичные 0 или 1, а также существовать в непрерывном диапазоне состояний, каждое из которых имеет связанную пару вероятностей — вероятность того, что бит равен 0, и соответствующую вероятность того, что он равен 1. И чем больше таких запутанных суперпозиционных кубитов, тем больше состояний они могут представлять: набор из n запутанных кубитов может одновременно представлять 2n состояний . В результате, при достаточном количестве кубитов квантовый компьютер мог бы справиться с колоссальной вычислительной задачей точного моделирования гипотетического магнитного материала.

Сколько кубитов достаточно? Пероннин считает, что всё станет интереснее, когда он и его коллеги смогут создать машину со 100 логическими кубитами, оснащённую разработанной ими системой коррекции ошибок. Он полагает, что это произойдёт примерно в 2030 году. (IBM и другие компании уже создали квантовые компьютеры с более чем 1000 физическими кубитами , но эти машины не обладали системой коррекции ошибок , которая является определяющей характеристикой логических кубитов, и ни одна из них так и не выполнила полезной работы.)

Исследователи в области магнетизма, не участвующие в проекте ARPA-E, в основном поддерживают его, отмечая при этом, что прогресс в области квантовых компьютеров, как известно, трудно предсказать. «Это интересный подход», — говорит Цзядун Чжан , профессор материаловедения и директор программы материаловедения в Университете Нью-Гэмпшира. «Для обнаружения новых структур необходим какой-то необычный подход», — добавляет он. Чжан входит в группу, которая использует большую языковую модель для поиска в литературе по магнетизму с целью создания базы данных экспериментальных магнитов, называемой Северо-восточной базой данных материалов для магнитных материалов .

«Возможно, квантовые компьютеры справятся с этой задачей на отлично», — соглашается Мэтью Крамер , выдающийся ученый из Эймсской национальной лаборатории в Айове. (Крамер работает над проектом с Министерством энергетики США и Фермилабом, направленным на улучшение определенного класса кубитов.) Однако он предупреждает, что попытки использовать обычные компьютеры для поиска новых магнитных материалов часто приводили к обнаружению новых кандидатов, которые невозможно создать в реальном мире.

Воображаемые магниты Microsoft, вероятно, так и останутся невостребованными 

Например, недавний и весьма амбициозный проект в Microsoft привел к созданию системы MatterGen , которую исследователи использовали для разработки ряда магнитов с «низким риском для цепочки поставок». Однако исследователи значительно упростили задачу, сосредоточившись только на «высокой магнитной плотности», не пытаясь учесть множество других характеристик, необходимых для того, чтобы магнит был полезен. Учет таких характеристик, как высокая коэрцитивная сила, химическая стабильность и экономичность, является одной из главных причин, почему задача быстро становится вычислительно неразрешимой. В итоге исследователи не изготовили ни один из выявленных магнитов; даже неясно, смогли бы они это сделать.

«У них было много необычных структур, — отмечает Крамер. — Главный вопрос в том, можно ли синтезировать хотя бы одну из них?»

В GE Vernova старший научный сотрудник Джонатан Оуэнс говорит, что, вероятно, наилучшим вариантом развития событий было бы включение квантовых вычислений в более крупную экспериментальную систему. «Квантовые вычисления станут частью, вероятно, гораздо более масштабного процесса, где вы используете машинное обучение или традиционные методы, чтобы направлять необходимые квантовые вычисления», — говорит Оуэнс. «Вы будете использовать эти данные в своем общем рабочем процессе и итеративно его совершенствовать. Но вы можете исследовать любую область, потому что вы не ограничены только известными вам химическими процессами».