Решение главной проблемы квантовых вычислений было на поверхности: СТМ помог создать компьютер нового типа
Одним из основных препятствий для развития квантовых компьютеров является то, что квантовые состояния этих частиц очень чувствительны к воздействию окружающей среды и легко теряют свои свойства. Поэтому ученые ищут способы защитить и управлять квантовыми битами, или кубитами, которые являются основными единицами информации в квантовых компьютерах.
Недавно группа физиков из Кореи и Германии представила новый подход к квантовым вычислениям, используя отдельные атомы титана, находящиеся на поверхности оксида магния. Эти атомы имеют один неспаренный электрон, имеющий свойство спина — квантовый параметр, который определяет направление магнитного момента электрона. Спин электрона может принимать два значения: вверх или вниз, которые соответствуют 0 или 1 в классической логике. Однако до того, как спин будет измерен, он может быть в суперпозиции — комбинации обоих состояний с определенными вероятностями. Это позволяет кубиту хранить больше информации, чем обычный бит.
Для управления спином электрона исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — прибор, который позволяет изучать атомы на поверхности с помощью острого металлического зонда и манипулировать ими. Они подавали на зонд микроволновые сигналы разной частоты и интенсивности, которые воздействовали на спин электрона и изменяли его состояние. Таким образом, они могли создавать и считывать различные суперпозиции спина.
Кроме того, они смогли реализовать взаимодействие между спинами электронов в разных атомах титана. Для этого они расположили три атома титана в виде треугольника на расстоянии около 10 нанометров друг от друга. Затем они подавали на зонд СТМ микроволновые сигналы такой частоты, которая соответствовала разности энергии между спинами двух атомов. Это приводило к тому, что спины этих атомов становились зависимыми друг от друга и образовывали совместную суперпозицию. Такое состояние называется квантовой запутанностью и является одним из ключевых ресурсов для квантовых вычислений.
Используя этот метод, ученые смогли выполнить простую квантовую операцию над двумя кубитами — так называемый вентиль CNOT, который меняет значение одного кубита в зависимости от значения другого. Это одна из основных операций, которые могут быть использованы для построения более сложных квантовых алгоритмов. Результаты операции были считаны с помощью СТМ и согласовались с теоретическими предсказаниями.
Этот эксперимент демонстрирует, что атомы на поверхности могут быть использованы для квантовых вычислений с высокой скоростью и точностью. Однако этот подход имеет свои ограничения: он требует очень низких температур (около 1 Кельвина) и высокого вакуума для стабилизации атомов на поверхности, а также сложного оборудования для управления зондом СТМ. Поэтому вряд ли он сможет конкурировать с другими типами кубитов, которые используются в современных квантовых компьютерах, таких как сверхпроводящие цепи или ионы в ловушках.
Однако этот подход может быть полезен для изучения квантовой физики различных элементов и молекул, которые могут быть помещены на поверхность. Таким образом, он может открыть новые возможности для создания новых материалов и химических реакций с квантовым контролем. Кроме того, он может помочь понять, как квантовые эффекты влияют на свойства поверхностей и как они могут быть использованы для разработки новых технологий.
Недавно группа физиков из Кореи и Германии представила новый подход к квантовым вычислениям, используя отдельные атомы титана, находящиеся на поверхности оксида магния. Эти атомы имеют один неспаренный электрон, имеющий свойство спина — квантовый параметр, который определяет направление магнитного момента электрона. Спин электрона может принимать два значения: вверх или вниз, которые соответствуют 0 или 1 в классической логике. Однако до того, как спин будет измерен, он может быть в суперпозиции — комбинации обоих состояний с определенными вероятностями. Это позволяет кубиту хранить больше информации, чем обычный бит.
Для управления спином электрона исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — прибор, который позволяет изучать атомы на поверхности с помощью острого металлического зонда и манипулировать ими. Они подавали на зонд микроволновые сигналы разной частоты и интенсивности, которые воздействовали на спин электрона и изменяли его состояние. Таким образом, они могли создавать и считывать различные суперпозиции спина.
Кроме того, они смогли реализовать взаимодействие между спинами электронов в разных атомах титана. Для этого они расположили три атома титана в виде треугольника на расстоянии около 10 нанометров друг от друга. Затем они подавали на зонд СТМ микроволновые сигналы такой частоты, которая соответствовала разности энергии между спинами двух атомов. Это приводило к тому, что спины этих атомов становились зависимыми друг от друга и образовывали совместную суперпозицию. Такое состояние называется квантовой запутанностью и является одним из ключевых ресурсов для квантовых вычислений.
Используя этот метод, ученые смогли выполнить простую квантовую операцию над двумя кубитами — так называемый вентиль CNOT, который меняет значение одного кубита в зависимости от значения другого. Это одна из основных операций, которые могут быть использованы для построения более сложных квантовых алгоритмов. Результаты операции были считаны с помощью СТМ и согласовались с теоретическими предсказаниями.
Этот эксперимент демонстрирует, что атомы на поверхности могут быть использованы для квантовых вычислений с высокой скоростью и точностью. Однако этот подход имеет свои ограничения: он требует очень низких температур (около 1 Кельвина) и высокого вакуума для стабилизации атомов на поверхности, а также сложного оборудования для управления зондом СТМ. Поэтому вряд ли он сможет конкурировать с другими типами кубитов, которые используются в современных квантовых компьютерах, таких как сверхпроводящие цепи или ионы в ловушках.
Однако этот подход может быть полезен для изучения квантовой физики различных элементов и молекул, которые могут быть помещены на поверхность. Таким образом, он может открыть новые возможности для создания новых материалов и химических реакций с квантовым контролем. Кроме того, он может помочь понять, как квантовые эффекты влияют на свойства поверхностей и как они могут быть использованы для разработки новых технологий.
- Евгения Бусина
- Science Photo Library
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Радиационная «бомба замедленного действия» обнаружена в Чернобыле: и они до сих пор готова «взрываться»
Новые опыты покажут, каким будет зона отчуждения для следующих поколений...
Почти детективная история: в Ленобласти обнаружен самый большой клад серебра за всю историю
Среди находок две уникальные монеты, которых всего четыре в мире, включая, а также языческие вороны Одина… среди православных крестов...
Главный поджигатель в истории Австралии: почему ученые обвиняют капитана Джеймса Кука в постоянных мегапожарах на Зеленом континенте?
Воскрешение традиции, которую сломали британские колонизаторы, поможет «потушить» Пылающую Австралию...
Тайна Мертвого моря: что «кипятит» водоем изнутри, рассказали ученые
Оказалось, что в кристалликах соли скрыта история прошедших эпох...
Секрет марсианского «невозможного» облака-призрака наконец-то разгадан
Как оказалось, на Красной планете работает физика, которая на Земле считалась чистой теорией...
«Мясной фарш» для Гитлера: как виртуозная операция в 1943 году решила ход битвы за Италию
Дерзко, остроумно и с огромной долей везения: британский план висел на волоске, но Лондону помогли… сами немцы...
Крестик XII века показал, настолько ученые ошибались в истории древнего Смоленска
Скромный артефакт из редкого материала оказался для археологов дороже серебряного клада...
Шуховскую башню в Москве начали разбирать: почему правнук великого русского инженера против такой «реконструкции»?
Где главный промах московских властей и чем восстановление отличается реконструкции?...
Пустая еда: почему за 60 лет наши продукты потеряли половину полезных веществ и микроэлементов
По словам исследователей, мир находится в состоянии скрытого голода: калорий, вроде бы, хватает, а витаминов и минералов нет...
Таинственные траншеи в Австралии помогут открыть скрытые пещеры на Марсе
Равнина, которая 14 миллионов лет без воды, подсказала ученым, как расшифровывать фотографии с Красной планеты...
После чудовищного Эль-Ниньо наш мир, возможно, уже не будет прежним
Первой жертвой будет Амазония, но это, как говорят ученые, только начало...
Монетный детектив: российский ученый 10 лет охотился за распроданными сокровищами и раскрыл тайну древнего царства на Боспоре
Пожалуй, это одна из самых интересных исторических загадок, раскрытых в последнее время...