Ученые вплотную подошли к созданию квантового компьютера

Стило микроскопа с концевым атомом для измерения квантовых состояний электронов (золотые) на подложке. Изображение Physorg

Известный гигант Кремниевой долины, в названии которого отображена сотая степень числа, сделал вполне ожидаемое объявление в журнале Nature. Сотрудники Microsoft описали сверхпроводящий чип, благодаря которому максимально близко удалось приблизиться к воплощению 30-летней мечты о создании квантового компьютера. Статья, рассказывающая о сочетании аналогового и цифрового подходов, называется «Квантовый компьютер на основе сверхпроводящей схемы (цепи)».

Одновременно с этим журнал написал о создании цепи с соединениями между спинами электронов (спин – один из квантовых параметров, нечто вроде частоты вращения частицы вокруг своей оси), что делает реальной спинтронику. Оба подхода – электроника и спинтроника – подразумевают существенное снижение расходов энергии, выработка которой все больше создает проблемы с экологией. Поэтому весьма актуально прозвучала «благая весть» о том, что новые солнечные батареи наконец-то преодолели важный барьер в 20% эффективности преобразования-конвертации солнечной энергии в электрическую.

Примитивные бактерии океана с помощью белков сумели сделать это 3,5 млрд лет назад, то есть на «разработку» квантовых преобразователей у простейших ушло всего лишь 500–600 млн лет. Почему же строение одного из важных ферментов не менялось столь долгое время? Это связано с «устойчивостью» законов квантовой физики, которые неизменны во времени, хотя и весьма неопределенны согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга. Выдающийся немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберга не верил в практическую применимость квантовой физики в силу природы квантов, само наблюдение за которыми ведет к изменению их состояний.

Вот почему со вниманием было встречено сообщение журнала с характерным названием Small – «Маленький», – поместившего статью из Базельского университета и швейцарского Института нанонауки. Его сотрудники разработали метод точного изменения квантовых состояний электронов, помещенных в квантовые боксы, напоминающие известные со школы бензольные циклы. Новый подход позволяет замерять силу взаимодействий атомов и электронов. А где число – там и фундаментальные науки с их повышенными требованиями к точности. Ведь те же квантовые компьютеры могут быть созданы только на основе четких взаимодействий компонентов. В качестве детектора-измерителя был использован туннельный микроскоп со стилом, на острие которого находится всего один атом.

А по другую сторону Атлантики, в Национальном институте стандартов и технологий в г. Боулдере (США), в качестве квантового объекта были избраны ионы, то есть заряженные атомы (ион железа в центре гема в гемоглобине эритроцитов переносит кислород и углекислоту), которые удобно «загонять» в так называемые квантовые ловушки. Здесь на помощь приходит лазерный луч – он охлаждает атомы, делая их малоподвижными.

Эйнштейн не верил в предсказание Шредингера о возможности связывать квантовые объекты на расстоянии (entanglement – изменение в состоянии одного объекта мгновенно передается всем остальным, пусть даже они находятся за сотни и тысячи километров друг от друга). В конце 1950-х была изобретена ловушка, с помощью которой сегодня удалось связать 100 тыс. фотонов и 3 тыс. атомов, однако ионы не столь «послушны».

И только в Боулдере физикам удалось добиться рекорда, объединив сразу 219 ионов бериллия с помощью мощных электромагнитных полей (лазерного света). Это открывает дорогу к созданию ансамблей квантовых битов, или кубитов, – основы квантовых компьютеров. Объединенные ионы ведут себя как единый кристалл, проявляя при этом металлические свойства. Вполне реальным становится использование намагниченных ионов, что обещает создание новых более точных атомных часов и сверхпроводящих материалов, которые революционизируют энергетику и сделают Землю действительно зеленой планетой. Свою статью в журнале Science сотрудники института назвали «Динамика квантовых спинов и создание связанности сотен ионов в ловушке».

Роль кубитов могут выполнять и квантовые точки (quantum dots), представляющие собой полупроводниковые наносферы. Они взаимодействуют с одиночными фотонами в особых полостях, контролируемых не магнитным, а электрическим полем, что удобнее. Это позволило ученым университетов Дидро в Париже и Гренобльского, а также Квинслендского в австралийском г. Брисбене получить одиночные фотоны большой яркости.

Около 70 лет назад решение сходной задачи получения когерентных фотонов привело к созданию лазера, без которого квантовая физика так бы и оставалась игрушкой высоколобых теоретиков.