Как кот готовит квантовую революцию
Современные вычислительные системы работают все медленнее, не справляясь со многими актуальными задачами. Ученые разных стран мира активно работают над технологиями, которые придут на смену устаревшим устройствам. Альтернатива номер один - квантовые компьютеры, которые способны очень быстро производить сложнейшие математические вычисления, предполагающие несколько вариантов решений. Это, например, оптимизация маршрутов транспорта, секвенирование ДНК, предсказание биржевых котировок и подбор криптографических ключей - такие задачи не по зубам даже самым мощным современным компьютерам.
Принципиальное отличие квантовых систем от обычных в том, что их операционная единица - кубит (квантовый бит) может находиться в состоянии неопределенности, то есть, в нескольких состояниях одновременно. Соответственно, ответы, которые выдает квантовый компьютер - вероятностные. Между тем, если сделать несколько довольно быстрых прогонов одной и той же задачи, можно прийти к единственному, правильному ответу, наилучшему из тысячи возможных решений. Чрезвычайно важное достоинство квантовых систем также их безопасность. Сообщения, посланные по линиям квантовой связи, невозможно будет ни перехватить, ни скопировать.
Несмотря на то, что лучшие мировые умы уже многие годы трудятся над созданием квантовых компьютеров, их до сих пор нет. Проблема в самой идее таких машин, в том, что один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно: находиться в состояниях "включено", "выключено" и в переходном. Причем все кубиты должны взаимодействовать между собой, то есть нужно научиться их объединять и управлять как как каждым кубитом отдельно, так и системой в целом. Эту задачу решить пока не удается, но если физики поймут суть феномена кота Шредингера и научатся управлять связанными с ним процессами, мир получит первый полноценный квантовый компьютер.
Кот Шредингера - знаменитый мысленный эксперимент австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, лауреата Нобелевской премии. В 1935 году он разработал идею мысленного эксперимента: в закрытый ящик помещаются кот и механизм, который при распаде радиоактивного атома открывает емкость с ядом. Это может либо произойти, либо не произойти, за счет чего кот в рамках принципов квантовой физики считается и живым, и мертвым одновременно. Так возник термин "квантовая запутанность". На практике подобный эксперимент вряд ли можно провести, поскольку работа квантовой системы ящика Шредингера зависит от гравитационного замедления времени, особенностей реализации механической части и целого ряда других факторов. Однако новейшие эксперименты мировых ученых обещают прорыв, который серьезно приблизит реализацию подобного опыта, а соответственно, создание квантовых систем.
Так, в новом номере журнала Nature Photonics описан уникальный опыт, который провел международный коллектив физиков во главе со специалистами из Рочестерского университета. Исследователи разработали установку, которая способна при помощи луча лазера удерживать на лету наночастицы алмазов и при этом заставлять их светиться. Использовались наноалмазы, внутри которых есть необычный дефект - единичное вкрапление в виде атома азота. Такие драгоценные камни широко используются в экспериментах по созданию квантовых компьютеров, так как спином электронов в них довольно легко оперировать. Возглавивший работу Леви Нойкирх из университета Рочестера считает, что новая технология станет основой создания макроскопических состояний Кота Шредингера и первым шагом к гибридной квантовой системе.
Ранее эта же команда ученых заставила алмазы парить в воздухе при помощи лазерного луча. Но в идеале нужно было оградить наночастицу от любых механических взаимодействий с окружающей средой, в том числе от столкновений с молекулами воздуха. Новое исследование демонстрирует, что левитацию можно производить в вакууме, а это важнейший прорыв по сравнению со всеми прежними опытами с использованием наноалмазов и оптического пинцета, проводимыми в жидкостях или при атмосферном давлении. Наноалмазы, улавливаемые в условиях атмосферного давления, непрерывно сталкиваются с молекулами воздуха вокруг них.
Улавливание наноалмазов в вакууме устраняет эффект молекул воздуха, их движениями управляют только законы квантовой физики. Это позволяет управлять состоянием квантовых систем при помощи механического воздействия на них.
Это позволяет управлять состоянием спина электрона (его внутренним квантовым свойством) в атоме азота внутри левитирующих алмазов. Если полностью остановить колебания самого алмаза, можно одновременно перемещать спин электрона вверх и вниз, что заставит алмаз находиться сразу в двух местах одновременно. Главная проблема в том, что при попадании в вакуум алмазы разрушаются, однако физики уверены, что им вскоре удастся найти способ сохранить камни и создать первого в истории "алмазного" кота Шредингера.
Немалых успехов в этой сфере достигли и швейцарские физики из Университета Базеля, которые создали обратную версию кота Шредингера. Они научились напрямую управлять работой квантовой системы при помощи ее механического компонента, не вызывая побочных эффектов и ложных результатов. Установка состоит из двух компонентов: микроскопического алмаза с особыми дефектами, обеспечивающими наличие запутанных электронов, и механического резонатора, к которому прикреплен алмаз.
Описывая разработку в журнале Nature Physics, возглавивший эксперимент Патрик Малетинский рассказывает, что состояние запутанных электронов зависит от того, в какую сторону направлено механическое напряжение внутри резонатора. Это одновременно позволяет безошибочно менять и узнавать состояние электронов в произвольное время (при помощи магнитного поля и особого микроскопа) и защищает их от потери запутанного состояния. Создание такой связи между квантовой и механической системами приведет к созданию квантовой памяти и квантовых компьютеров, а также сверхчувствительных датчиков и научных приборов.
