Квантовото заплитане – някога отхвърлено от Алберт Айнщайн като „зловещо действие от разстояние“ – отдавна е завладяло общественото въображение и е озадачавало дори опитни учени. Но за днешните квантови практикуващи реалността е доста по-банална: заплитането е вид връзка между частици, която е квинтесенцията на квантовите компютри. Въпреки че тези устройства са все още в начален стадий на развитие, заплитането е това, което ще им позволи да правят неща, които класическите компютри не могат, като например по-добро симулиране на естествени квантови системи като молекули, фармацевтични продукти или катализатори.
В ново изследване, публикувано в сп. Science, проф. Андреа Морело от UNSW Сидни и неговите колеги са демонстрирали квантово заплитане между две атомни ядра, разделени от около 20 нанометра.Това може да не изглежда много. Но методът, който са използвали, е практически и концептуален пробив, който може да помогне за изграждането на квантови компютри, използващи една от най-прецизните и надеждни системи за съхранение на квантова информация.
Балансиране на контрола с шума
Още: Квантовата физика изключва съществуването на вселена преди нашата
Предизвикателството пред квантовите компютърни инженери е да балансират две противоположни нужди. Крехките изчислителни елементи трябва да бъдат защитени от външни смущения и шум. Но в същото време трябва да има начин за взаимодействие с тях, за да се извършват смислени изчисления. Ето защо има толкова много различни видове хардуер, които все още се борят да бъдат първият работещ квантов компютър.
Някои видове са много добри за извършване на бързи операции, но страдат от шум. Други са добре защитени от шум, но са трудни за работа и мащабиране.
Да накараме атомните ядра да общуват помежду си
Екипът на проф. Андреа Морело работи върху платформа, която – до днес – можеше да бъде поставена във втория лагер. Имплантирали са фосфорни атоми в силициеви чипове и са използвали въртенето на атомните ядра, за да кодират квантова информация.
Още: Странното поведение на мистериозни атомни частици може да промени представите ни за Вселената
За да изградят полезен квантов компютър, ще трябва да работят с много атомни ядра едновременно. Но досега единственият начин да се работи с множество атомни ядра беше да се поставят много близо едно до друго в твърдо тяло, където да бъдат обградени от един електрон.
Обикновено си представяме електрона като нещо много по-малко от ядрото на атома. Квантовата физика обаче ни казва, че той може да се „разпространява“ в пространството, така че може да взаимодейства с множество атомни ядра едновременно. Въпреки това, обхватът, в който един електрон може да се разпространи, е доста ограничен. Освен това, добавянето на повече ядра към един и същ електрон прави много трудно контролирането на всяко ядро поотделно.
Снимка: Tony Melov/UNSW Sydney
Електронни „телефони“ за заплитане на отдалечени ядра
Можем да кажем, че досега ядрата бяха като хора, поставени в звукоизолирани помещения. Те могат да говорят помежду си, стига всички да са в една и съща стая, и разговорите да са наистина ясни. Но те не могат да чуят нищо отвън и има ограничен брой хора, които могат да се поберат в стаята. Следователно, този начин на разговор не може да бъде мащабиран.
Още: Ново обяснение на гравитацията е стъпка към "Теорията на всичко"
В новата работа на учените те все едно са дали на хората телефони, за да комуникират с други стаи. Всяка стая все още е хубава и тиха отвътре, но сега могат да водят разговори между много повече хора, дори и да са далеч.
"Телефоните“ са електрони. Благодарение на способността си да се разпространяват в пространството, два електрона могат да се „докосват“ един друг на доста голямо разстояние. И ако всеки електрон е директно свързан с атомно ядро, ядрата могат да комуникират чрез взаимодействието между електроните.
Учените са използвали електронния канал, за да създадат квантово заплитане между ядрата посредством метод, наречен „геометрична порта“, който са използвали преди няколко години, за да извършват високопрецизни квантови операции с атоми в силиций.
Сега – за първи път в силиций – екипът на Морело показал, че този метод може да се мащабира отвъд двойки ядра, които са свързани с един и същ електрон.
Още: Времето може да тече в обратна посока и ние дори да не го осъзнаваме
Съчетание с интегрални схеми
В техния експеримент фосфорните ядра били разделени от 20 нанометра. Ако това ви се струва все още малко разстояние, то е: между двата фосфорни атома има по-малко от 40 силициеви атома.
Но това е и мащабът, в който се произвеждат ежедневни силициеви транзистори. Създаването на квантово заплитане в 20-нанометров мащаб означава, че учените могат да интегрират техните дългоживеещи, добре екранирани ядрени спинови кубити в съществуващата архитектура на стандартни силициеви чипове, като тези в нашите телефони и компютри.
В бъдеще предвиждат да увеличат разстоянието на заплитане още повече, защото електроните могат да бъдат физически преместени или притиснати в по-удължени форми.
Техният последен пробив означава, че напредъкът в квантовите устройства, базирани на електрони, може да се приложи към конструирането на квантови компютри, които използват дългоживеещи ядрени спинове за извършване на надеждни изчисления.
