;
Наука 27 января 2022

Физики открыли новый кубит в виде вибрирующих пар атомов

Далее

Новый кубит способен поддерживать суперпозицию между двумя колебательными состояниями даже среди шума окружающей среды в течение 10 секунд, предлагая возможную основу для будущих квантовых компьютеров.

Физики Массачусетского технологического института обнаружили, что когда пары фермионов (вибрирующих атомов) охлаждаются и задерживаются в оптической решетке, частицы могут существовать одновременно в двух состояниях. Это странное квантовое явление называют суперпозицией — атомы одновременно колебались относительно друг друга и синхронно раскачивались.

Ученые смогли поддерживать это состояние суперпозиции среди сотен вибрирующих пар фермионов. При этом они получили новый «квантовый регистр» — систему кубитов, которая кажется надежной в течение относительно длительных периодов времени. Открытие демонстрирует, что такие колеблющиеся кубиты могут стать основой для будущих квантовых компьютеров.

Кубит представляет собой базовую единицу квантовых вычислений. В то время как классический бит в современных компьютерах выполняет ряд логических операций, начиная с одного из двух состояний, 0 или 1, кубит может существовать в суперпозиции обоих состояний. Находясь в нем, кубит должен иметь возможность одновременно «общаться» со многими другими кубитами и обрабатывать несколько потоков информации одновременно, чтобы быстро разбираться с проблемами, на решение которых у классических компьютеров ушли бы годы.

Существует много типов кубитов — некоторые из них созданы инженерами, другие — существуют в природе. Известно, что большинство кубитов непостоянны: они либо не могут поддерживать свою суперпозицию, либо не желают взаимодействовать с другими кубитами.

Команда Массачусетского технологического института считает, что новые вибрирующие кубиты можно заставить кратковременно взаимодействовать и потенциально выполнять десятки тысяч операций в мгновение ока.

«По нашим оценкам, взаимодействие этих кубитов должно занимать всего миллисекунду, поэтому мы можем надеяться на 10 000 операций за время когерентности», — рассказал Мартин Цвирляйн, профессор физики Массачусетского технологического института имени Томаса А. Франка.

Интересно, что открытие новых кубитов произошло практически случайно. Группа Цвирляйна изучала поведение атомов при сверхнизких температурах и в сверхнизких плотностях. Когда атомы охлаждаются до температуры, в миллион раз превышающей температуру межзвездного пространства, и изолируются при плотности, в миллион раз превышающей плотность воздуха, могут возникать квантовые явления и новые состояния материи.

В этих экстремальных условиях Цвирляйн и его коллеги изучали поведение фермионов. Технически фермион определяется как любая частица с нечетным полуцелым спином — нейтроны, протоны и электроны. На практике это означает, что фермионы «колючи» по своей природе. Никакие два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние — свойство, известное как принцип запрета Паули. Например, если один фермион вращается вверх, другой должен вращаться вниз.

Группа Цвирляйна изучала фермионные атомы калия-40. Они охладили облако фермионов до 100 нанокельвинов и использовали систему лазеров для создания оптической решетки, в которую можно «заманить» атомы. Ученые настроили условия так, чтобы каждая клетка в решетке «захватила» пару фермионов. Первоначально они заметили, что при определенных условиях каждая пара фермионов движется синхронно, как одна молекула.

Для дальнейшего исследования этого колебательного состояния инженеры дали толчок каждой паре фермионов, а затем сделали флуоресцентные изображения атомов в решетке и увидели, что время от времени большинство квадратов в решетке темнели, отражая пары, связанные в молекулу. Но по мере того, как они продолжали визуализировать систему, атомы, казалось, периодически появлялись снова — это указывало на то, что пары колебались между двумя квантовыми состояниями.

«Это колебание показывает, что существует когерентная суперпозиция, развивающаяся с течением времени. Это был счастливый момент», — рассказал Цвирляйн.

После дальнейших расчетов физики подтвердили, что фермионные пары поддерживают суперпозицию двух колебательных состояний.

«Они колеблются между двумя состояниями с частотой около 144 герц», — отметил Хартке.

Команда смогла настроить эту частоту и контролировать колебательные состояния пар фермионов на три порядка, применяя и изменяя магнитное поле с помощью эффекта, известного как резонанс Фешбаха. Таким образом, они смогли одновременно манипулировать примерно 400 фермионными парами. Они заметили, что как группы кубитов сохраняют состояние суперпозиции в течение 10 секунд, прежде чем отдельные пары переходят в одно или другое колебательное состояние.

Чтобы создать функциональный квантовый компьютер с использованием вибрирующих кубитов, команде придется найти способы управления отдельными парами фермионов — проблема, к решению которой физики уже близки. Более сложной задачей будет найти способ взаимодействия отдельных кубитов друг с другом. Но для этого у Цвирляйна тоже есть несколько идей.

«Есть способы снизить барьер между парами, чтобы они сходились, взаимодействовали, а затем снова разделялись примерно на одну миллисекунду. Таким образом, есть четкий путь к двухкубитному вентилю, который нам понадобится для создания квантового компьютера», — подытожил ученый.


Читать далее

Посмотрите на первый в мире одноступенчатый орбитальный корабль будущего

Три года ученые считали, что на юге Марса есть вода. Оказалось, это не так

Гиперзвуковой самолет на водороде развивает скорость до 12 Махов. Это почти 15 000 км/ч