Новий підхід до квантових обчислень

16 декабря 2023 г., 15:05

Платформи, засновані на молекулах, керованих за допомогою «оптичних пінцетів», можуть виконувати складні фізичні обчислення.
Квантова заплутаність є одним із ефектів, які лежать в основі технології квантових обчислень.

Фізики зробили перший крок до створення квантових комп’ютерів з окремих молекул, захоплених лазерними пристроями, які називаються оптичними пінцетами. Дві команди опублікували свої результати у грудні в журналі Science, в обох випадках спонукаючи пари молекул монофториду кальцію взаємодіяти так, що вони заплуталися — вирішальний ефект для квантових обчислень.

Ці дві статті є «визначним результатом», — каже Адам Кауфман (Adam Kaufman), фізик з Університету Колорадо в Боулдері: «Це відкриває двері для використання заплутаних станів для покращення потенційних застосувань масивів молекулярних пінцетів».

Деякі з перших демонстрацій основних принципів квантових обчислень наприкінці 1990-х років використовували велику кількість молекул, оброблених у розчині всередині машини ядерного магнітного резонансу. Відтоді дослідники розробили низку інших платформ для квантових обчислень, включаючи надпровідні схеми та окремі іони, що утримуються у вакуумі. Кожен із цих об’єктів використовується як фундаментальна одиниця квантової інформації, або кубіт — квантовий еквівалент бітів у класичних комп’ютерах.

За останні кілька років з’явився ще один сильний суперник, у якому кубіти складаються з нейтральних атомів — на відміну від іонів — захоплених «пінцетом» високосфокусованого лазерного променя.

Тепер дві окремі групи досягли ранніх успіхів у використанні цього підходу з молекулами замість атомів. «Молекули мають дещо більшу складність, а це означає, що вони пропонують нові способи кодування квантової інформації, а також нові способи їх взаємодії, — каже Лоуренс Чек (Lawrence Cheuk), співавтор однієї з робіт, який є фізиком у Прінстоні, Університет в Нью-Джерсі. - Це пропонує безпрецедентні способи обробки квантової інформації».

В обох дослідженнях використовували масиви оптичних пінцетів з однією молекулою, захопленою в кожному пінцеті. За допомогою лазерних методів вони охолодили молекули до температури в десятки мікрокельвінів, лише мільйонних часток градуса вище абсолютного нуля. У цьому стані молекули були близькі до повного спокою. Їхнє обертання можна зупинити або змусити їх обертатися лише з одним квантом кутового моменту, який називається ħ — найменшою частотою обертання, яку вони можуть мати. Обидві команди використовували молекули, що не обертаються, щоб представити стан «0» своїх кубітів, а молекули, що обертаються, — щоб представити стан «1».

Монофторид кальцію є високополярним — негативні електричні заряди, що переносяться його електронами, скупчуються до атома фтору, залишаючи кальцієвий кінець молекули з чистим позитивним зарядом. Дослідники змогли змусити дві молекули монофториду кальцію взаємодіяти, «відчуваючи» позитивний і негативний полюси одна одної. «Диполярна взаємодія молекул дає нам додаткову ручку налаштування», — каже Джон Дойл (John Doyle), фізик із Гарвардського університету в Кембриджі, штат Массачусетс, який є співавтором іншої статті.

Таким чином команди змогли продемонструвати, що молекули заплуталися, тобто вони утворили колективну квантову систему. Це потрібно квантовим комп’ютерам для запуску алгоритмів.

Для більшості застосувань молекулярні квантові комп’ютери будуть повільнішими, ніж ті, що використовують інші типи кубітів, кажуть дослідники. Але молекули можуть бути природним середовищем для маніпулювання квантовою інформацією за допомогою «кутрітів» (qutrits), які мають три можливі стани: −1, 0 і +1. Qutrits може запропонувати спосіб проведення квантового моделювання складних матеріалів або фундаментальних сил фізики.

Дойл додає, що ці досягнення можуть також допомогти у використанні захоплених молекул для високоточних вимірювань, які можуть виявити існування нових елементарних частинок.