Еще не компьютер, но уже квантовый процессор

Два механических осциллятора, скрепленных друг с другом. Иллюстрация Physorg

Альберт Эйнштейн не признавал гипотезу квантования Макса Планка. По планковской интерпретации невозможно дальнейшее деление кванта. То есть квант – это минимальное количество чего бы то ни было. Слово было взято из известного латинского выражения Quantum satis: количество, которое нужно для насыщения.

Хотя помимо общей теории относительности Эйнштейна, предсказавшей реальность гравитационных волн, у ее автора была и статья о корпускулярной теории света (фотоэффекта). Согласно этой теории, частицы световой энергии представляют собой не кванты-фотоны, а частицы. При их падении на металлическую фольгу из нее выбиваются электроны, движение которых генерирует электрический ток, о чем свидетельствует замыкание цепи фотоэлемента.

Отцы-основатели квантовой физики буквально бредили статистическими вероятностями, которые могут нарушаться при грубом внешнем вторжении. Они верили, что при глубоком охлаждении разрозненное и неуправляемое может конденсироваться и давать единую волну. Так родилась идея конденсата Бозе–Эйнштейна, в котором многие атомы ведут себя как единое целое.

Невероятные ситуации возникают и на атомных расстояниях, где возникает наложение (суперпозиция), или когерентность. К сожалению, создать подобного рода квантовые ситуации крайне затруднительно даже в лабораториях, где разрабатываются квантовые компьютеры. На протяжении последнего десятилетия мы много слышали об ионных квантовых точках и световых решетках, кубитах и растущем их числе в разных квантовых «машинах».

Квантовые компьютеры обещают решение таких задач, которые не под силу современным классическим, на основе кремниевых чипов. Кроме того, передача квантовых сообщений, по всей видимости, абсолютно защищена от прослушки, поскольку они саморазрушаются – теряют когерентность/суперпозицию – при попытке вторгнуться в сеть передачи информации.

Эрвин Шредингер обогатил теоретический багаж физики понятием связанности, или энтенглмента (entanglement). Кстати, трудное в русской фонетике это понятие весьма наглядно по своей сути: термин происходит от корня, обозначающего клубок пряжи, распускание которого быстро ведет к спутанности нитей. Но в отличие от реального клубка квантовые реалии частиц и даже атомов оказываются «связанными» также и на расстоянии.

Нечто подобное использовали при создании опытного устройства в Стэнфорде, точно совместив друг с другом с помощью клейкого полимера два механических осциллятора, смещение которых генерирует звуки. Верхний из колебательных контуров был помещен с нанометровой точностью на второй, на поверхности которого авторы «смонтировали» сверхпроводящую цепь из алюминия. Это позволило хранить и обрабатывать информацию не с помощью электрического напряжения в виде «0» и «1», а в виде как минимум 200 возможных состояний. Верхний чип содержит два наномеханических резонатора из кристалла ниобата лития (LiNb). Его колебания преобразуют электрическую энергию в звуковую с образованием кванта колебательно-вибрационной энергии в виде квазичастицы – фононов.

Тем самым было создано устройство, в котором энергия вибрации распределена одновременно между двумя резонаторами. Поясняя принцип, ученые приравняли свои фононы к гораздо более капризным фотонам. Первые позволили создать гибридное квантовое устройство, обладающее преимуществами обеих частиц. Кстати, в статье 2019 года, посвященной звуковым частицам, авторы ссылались на то, что само понятие фонона Эйнштейн предложил еще в 1907 году.

Соседи стэнфордцев в г. Ирвин предложили использовать в качестве квантового сенсора… молекулу водорода Н2. Молекулярный сенсор действует на атомных расстояниях благодаря сверхбыстрой когерентности водородной молекулы, удерживаемой в полости между кончиком серебряного щупа и атомом меди на поверхности ее нитрида (Cu2N). При этом расстояние между кончиком сканирующего туннельного микроскопа и поверхностью подложки не превышает 6 ангстрем (0,6 нанометров), а чувствительность квантового сенсора достигает 0,1 ангстрем (0,001 нм). Молекула водорода превращается в составную часть микроскопа, выполняя роль химического спектроскопа терагерцового спектра. Два атома водорода пребывают в состоянии квантовой когерентности.

В то же время исследователи из Гарварда и Висконсинского университета в г. Мэдисон (США) напоминают, что квантовая информация становится доступной благодаря транспорту когерентных нейтральных атомов рубидия. Вместе с австрийскими учеными из университета в Инсбруке они исследовали две возможности сближения атомов – с помощью лазерного луча и лазерных пинцетов. В первом случае были получены «связанные» пары, давшие в общей сложности шесть кубитов. С помощью пинцетов перемещение атомов сближало их, что позволило получить устойчивые квантовые состояния хранения информации. Статья физиков называется «Квантовый процессор, основанный на когерентном транспорте связанных друг с другом атомов».

Применение квантовых алгоритмов позволило точно измерить энергию конкретного атома, обещая тем самым создание квантовых цепей из нейтральных атомов. Последние устойчивее ионов и электростатических полей. Сделан еще один шаг к созданию работоспособного квантового компьютера с использованием мультикубитного энтенглмента нейтральных атомов.