Ученые открыли квантовую запутанность между двумя удаленными атомами кремния
В лаборатории Университета Нового Южного Уэльса австралийским ученым удалось связать два удаленных атома фосфора в кристалле кремния и заставить их обмениваться состояниями с помощью электронов. Такой результат открывает дорогу к разработке квантовых микросхем и вычислительных систем, которые окажутся значительно мощнее привычных процессоров.
Ключом в этом эксперименте стали так называемые ядерные спины. Под этим словом физики понимают квантовое свойство атомного ядра. Если электрон можно представить как крошечный компас, то ядро тоже обладает собственным направлением — и именно это используется для кодирования информации в квантовых кубитах. Ученые применили электроны в качестве посредников: за счет обменного взаимодействия они передавали данные между спинами, находящимися на расстоянии около 20 нм друг от друга. Благодаря этому удалось выполнить управляемую двухкубитную операцию — базовый кирпичик для будущей квантовой логики. При этом ученые зафиксировали особое квантовое состояние, называемое состоянием Белла, которое указывает на настоящую запутанность.
Главное достоинство метода заключается в том, что он совместим с привычной кремниевой технологией. Эксперименты проводились не на экзотических материалах, а на платформе, близкой к той, что используется при производстве обычных микросхем. Это важно: переход от лаборатории к фабрике чипов в таком случае может быть быстрее и дешевле.
Суть техники в том, что электроны способны «растекаться» в пространстве и при этом касаться нескольких ядер одновременно. Если каждый электрон связан с конкретным атомом, он становится своеобразным невидимым проводником, позволяющим разным ядрам обмениваться квантовыми состояниями, словно по телефонной линии. Получаемый квантовый вентиль работает исправно и не распадается от малейших помех.
Исследователи уверены: дальнейшее развитие метода позволит объединять еще больше атомов в единую квантовую схему. Пока что они ограничились двумя электронами, но в будущем можно будет расширять электронные облака и увеличивать расстояние. Важно и то, что полученные состояния достаточно устойчивы — это делает возможным построение более крупных квантовых сетей.
Такие технологии приблизят приход вычислителей нового уровня. Они помогут проектировать лекарства, рассчитывать сложные молекулярные цепочки, искать оптимальные решения для логистики или криптографии. Фактически речь идет о будущем, где компьютеры будут оперировать не привычными нулями и единицами, а целыми наборами переплетенных состояний.
Сегодня два изолированных атома впервые начали «разговаривать» в кремниевой матрице, и этот успех специалисты уже называют переломным. Впереди долгая дорога к созданию настоящих квантовых машин, но первый телемост между «молчащими комнатами» уже провели.
Ранее мы писали о том, что разработан новый метод наблюдения за наночастицами.
