«Как разговор по телефону»: инженеры квантовых вычислений заставляют атомы общаться на расстоянии
Исследователи из Университета Токио — Мицуёси Камба, Наоки Хара и Киётака Айкава — успешно продемонстрировали квантовое сжатие движения наночастицы. Неопределённость этого движения меньше, чем у квантово-механических флуктуаций.
Это достижение открывает путь не только для фундаментальных исследований в области физики, но и для таких приложений, как точное автономное вождение и навигация без сигнала GPS. Результаты [опубликованы](https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady4652) в журнале Science.
Физический мир на макроуровне
Физический мир на макроуровне, от [частиц пыли](https://phys.org/tags/dust+particles/) до планет, подчиняется законам [классической механики](https://phys.org/tags/classical+mechanics/), открытым Ньютоном в XVII веке. Физический мир на микроуровне, атомы и ниже, подчиняется законам квантовой механики, которые приводят к явлениям, обычно не наблюдаемым на макроуровне.
Одним из таких явлений является «неопределённость» в квантовом мире: точность измерения ограничена квантово-механическими флуктуациями. Например, нулевая флуктуация — это квантово-механическая флуктуация положения и скорости захваченной частицы, даже когда она находится в самом низком возможном энергетическом состоянии.
Квантовое сжатие
Квантовое сжатие — это генерация квантово-механического состояния, неопределённость которого меньше нулевой флуктуации. Точное измерение объекта с квантово-механическим пределом имеет решающее значение не только для понимания природы, но и для разработки технологий нового поколения, на которые могут влиять квантовые явления.
«Хотя квантовая механика успешно применяется к [микроскопическим частицам](https://phys.org/tags/microscopic+particles/), таким как фотоны и атомы, мы не знаем, насколько квантовая механика верна на макроскопических масштабах», — говорит Айкава, главный исследователь. «Одна из причин этого заключается в том, что было сложно создать подходящие экспериментальные условия для изучения квантовой механики на больших, то есть наномасштабных, объектах».
Исследование квантовых явлений на наноуровне
Исследователи поставили перед собой задачу найти частицу, которую можно было бы использовать в качестве платформы для изучения квантовых явлений на наноуровне. Они использовали наночастицу из стекла, левитирующую в вакууме, и охладили её до самого низкого возможного энергетического уровня, чтобы уменьшить неопределённость.
После того как они убедились, что потенциал захвата оптимально модулирован, исследователи выпустили частицу и позволили ей лететь в течение короткого времени, измерив скорость непосредственно перед выпуском. Повторяя эту процедуру, они получили распределение скоростей частицы в этом потенциале.
«Когда время до выпуска оптимально, — объясняет Айкава, — распределение скоростей становится уже, чем неопределённость скорости на самом низком энергетическом уровне, что является признаком квантового сжатия».
Исследователи смогли продемонстрировать квантовое сжатие после многолетнего процесса, поскольку многие технические проблемы, с которыми они столкнулись, добавляли флуктуации к частице.
Квантовые запутанные состояния в UNSW
Инженеры из UNSW сделали значительный шаг вперёд в области квантовых вычислений: они создали «квантово запутанные состояния», где две отдельные частицы становятся настолько тесно связанными, что перестают вести себя независимо, используя спины двух атомных ядер. Такие состояния запутанности являются ключевым ресурсом, который даёт квантовым компьютерам преимущество перед обычными.
Исследование [опубликовано](https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady3799) в журнале Science и является важным шагом на пути к созданию крупномасштабных квантовых компьютеров — одной из самых захватывающих научных и технологических задач XXI века.
Ведущий автор доктор Холли Стемп говорит, что это достижение открывает потенциал для создания будущих микрочипов, необходимых для квантовых вычислений, с использованием существующих технологий и производственных процессов.
«Мы добились успеха в том, чтобы заставить самые чистые и изолированные квантовые объекты взаимодействовать друг с другом в масштабе, на котором в настоящее время изготавливаются стандартные кремниевые [электронные устройства](https://phys.org/tags/electronic+devices/)», — говорит она.
Преодоление трудностей в квантовых вычислениях
Задача, стоящая перед инженерами квантовых компьютеров, заключается в том, чтобы сбалансировать две противоположные потребности: защитить вычислительные элементы от внешнего вмешательства и шума, одновременно позволяя им взаимодействовать для выполнения значимых вычислений.
Команда UNSW вложила средства в платформу, которая до сегодняшнего дня могла быть отнесена ко второму лагерю. Они использовали спин атомов фосфора, имплантированных в [кремниевый чип](https://phys.org/tags/silicon+chip/), для кодирования квантовой информации.
«Спин атомного ядра — это самый чистый и изолированный квантовый объект, который можно найти в твёрдом состоянии», — говорит профессор Андреа Морелло из UNSW School of Electrical Engineering & Telecommunications.
Команда UNSW использовала спины атомов фосфора, внедрённых в кремниевый чип, для кодирования квантовой информации. «За последние 15 лет наша группа совершила все прорывы, которые сделали эту технологию реальным претендентом в гонке квантовых вычислений. Мы уже продемонстрировали, что можем удерживать [квантовую информацию](https://phys.org/tags/quantum+information/) более 30 секунд — вечность в квантовом мире — и выполнять квантовые логические операции с менее чем 1% ошибок».
«Мы были первыми в мире, кто добился этого в кремниевом устройстве, но всё это стоило дорого: та же изоляция, которая делает атомные ядра такими чистыми, затрудняет их соединение вместе в крупномасштабном квантовом процессоре».
До сих пор единственный способ управлять несколькими атомными ядрами состоял в том, чтобы разместить их очень близко друг к другу внутри твёрдого тела и окружить одним и тем же электроном. «Большинство людей думают об электроне как о мельчайшей субатомной частице, но [квантовая физика](https://phys.org/tags/quantum+physics/) говорит нам, что он обладает способностью «распространяться» в пространстве, так что он может взаимодействовать с несколькими атомными ядрами», — говорит доктор Холли Стемп, проводившая это исследование в UNSW и ныне являющаяся постдокторантом в MIT в Бостоне.
«Несмотря на экзотическую природу экспериментов, исследователи говорят, что эти устройства остаются фундаментально совместимыми с тем, как строятся все современные компьютерные чипы. Фосфорные атомы были введены в чип командой профессора Дэвида Джеймисона в Университете Мельбурна, используя сверхчистую кремниевую пластину, предоставленную профессором Кохеи Ито из Университета Кейо в Японии».
Убрав необходимость в том, чтобы атомные ядра были прикреплены к одному электрону, команда UNSW преодолела самый большой барьер на пути к масштабированию кремниевых квантовых компьютеров на основе атомных ядер.
«Наш метод удивительно надёжен и масштабируем. Здесь мы использовали всего два электрона, но в будущем мы можем добавить больше электронов и придать им вытянутую форму, чтобы ещё больше разнести ядра», — говорит профессор Морелло. «Электроны легко перемещать и «придавать форму», что означает, что взаимодействия можно быстро и точно включать и выключать. Это именно то, что нужно для масштабируемого квантового компьютера».
[Предоставлено Университетом Нового Южного Уэльса](https://phys.org/partners/university-of-new-south-wales/)