Контроль спиновых кубитов при температуре, близкой к абсолютному нулю, открывает путь к масштабируемым квантовым вычислениям.
Темная материя
Хотя тёмная материя невидима, считается, что она составляет большую часть общей массы Вселенной. Одна из теорий предполагает, что ультралёгкая тёмная материя ведёт себя как непрерывная волна, которая может оказывать ритмические воздействия, обнаруживаемые только с помощью сверхчувствительных квантовых приборов.
Новое исследование
Исследование, опубликованное в Physical Review Letters под руководством физика Кристофера Таннелла из Университета Райса и постдокторанта Дориана Амараля, представляет собой первый прямой поиск ультралёгкой тёмной материи с помощью магнитно-левитируемой частицы.
В сотрудничестве с физиками из Лейденского университета команда подвесила микроскопический неодимовый магнит внутри сверхпроводящего кожуха, охлаждённого до температуры, близкой к абсолютному нулю. Такая установка была разработана для обнаружения едва заметных колебаний, которые, как считается, вызваны волнами тёмной материи, проходящими через Землю.
Результаты
Исследователи отслеживали левитирующий магнит с невероятной точностью, используя датчики, способные обнаруживать движения меньше ширины атома водорода. Несмотря на такую чувствительность, они не обнаружили ожидаемого сигнала. Однако этот нулевой результат позволил физикам исключить конкретное взаимодействие между тёмной материей и обычной материей.
Они сосредоточились на обнаружении сил, возникающих в результате взаимодействий тёмной материи, которые различаются в зависимости от барионных и лептонных чисел, или сохраняемых квантовых чисел в физике элементарных частиц, которые остаются постоянными при взаимодействиях частиц в рамках теоретической модели, известной как B−L. Их поиск был нацелен на узкую полосу частот около 26,7 Гц, устанавливая новые пределы силы этих взаимодействий и новую технологию для тёмной материи.
Будущие эксперименты
На основе этих результатов исследовательская группа предложила эксперимент следующего поколения под названием Polonaise, направленный на повышение чувствительности и расширение поиска тёмной материи. Название является отсылкой к танцу, который исполнили профессора физики во время акции протеста против изменения климата и поняли, что такое измерение возможно. Эта новая установка будет включать более тяжёлые магниты, более стабильную левитацию и более широкий частотный охват.
Эксперимент предназначен для исследования областей теоретического ландшафта, которые не исследовались современными детекторами, в поисках идентификации ультраслабых сил в наиболее невозмущённой среде.
Квантовые вычисления
Разработка технологии, которая позволяет квантовой информации быть одновременно стабильной и доступной, является критически важной задачей в создании полезных квантовых компьютеров, работающих в масштабе. Исследование, опубликованное в журнале Nature, открывает путь к масштабированию количества квантовых транзисторов (известных как кубиты) на чипе с нынешних чисел, менее 100, до миллионов, необходимых для того, чтобы квантовые вычисления стали реальностью.
Результат стал возможен благодаря новой криогенной электронике, работающей при температуре, близкой к абсолютному нулю, разработанной в Университете Сиднея.
Ведущий исследователь профессор Дэвид Рейли из Института нанотехнологий Университета Сиднея и Школы физики сказал: «Это перенесёт нас из области, где квантовые компьютеры являются увлекательными лабораторными машинами, в стадию, когда мы сможем начать открывать реальные проблемы, которые эти устройства могут решить для человечества».
Для этого исследования его команда разработала кремниевый чип, который может управлять спиновыми кубитами при милликельвиновских температурах. Это чуть выше абсолютного нуля (-273,15 градусов Цельсия), температуры, при которой теоретически материя перестаёт двигаться.
Эксперты считают, что спиновые кубиты (где информация кодируется в магнитном направлении отдельных электронов) могут легче масштабироваться, поскольку они основаны на распространённой технологии CMOS (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), которая лежит в основе современных обычных вычислений и уже используется для печати миллиардов транзисторов.
Однако спиновые кубиты необходимо поддерживать при температурах ниже 1 кельвина для сохранения их информации. Для масштабирования их необходимо также контролировать и измерять с помощью сложной интегрированной электроники. Это вызвало серьёзную обеспокоенность тем, что даже если система управления сможет работать при такой температуре, тепло и электрические помехи, создаваемые размещением управления так близко к кубитам, ухудшат их производительность.
Команда профессора Рейли впервые показала, что при тщательном проектировании этого не должно быть — жизненно важная демонстрация принципа работы, которая доказывает, что спиновые кубиты в CMOS могут быть масштабированы до миллионов кубитов для создания полезной машины.