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
Очередной миф Николая Карамзина полностью развеян российскими археологами
Оказалось, что Иван Грозный не убивал супругу своего младшего брата. Напротив, с княгиней Ульянией Углицкой случалась куда более таинственная и запутанная...
Самая запрещенная русская сказка: почему «Курочку Рябу» не любили ни цари, ни руководители СССР?
Чтобы эту историю можно было рассказывать советским детям, ее сюжет пришлось изменить самым радикальным образом. Но, может быть, это и к лучшему...
Тайна гибели сибирского «Титаника»: почему некоторые детали катастрофы 1921 года неизвестны даже сейчас?
Поразительно, но тогда судьи единогласно оправдали капитана парохода. Так кто же тогда был виновником этого страшного происшествия?...
Раскрыта главная тайна антарктического льда: ученые узнали, как и кем была взломана природная защита Шестого континента
Похоже, той Антарктиде, которую мы знаем, приходит конец. Впрочем, это не точно...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены. Часть 2. Расплата
Как наука отменила срок давности у преступления? И какая тайна осталась не раскрытой?...
Гениальное ДНК-«мошенничество»: ученые раскрыли секрет рыбы, которая плевать хотела на главные законы биологии
100 000 лет успешного клонирования: амазонская моллинезия просто... копирует себя. И при этом удивительно успешно ремонтируют поврежденные гены, насмехаясь над...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены
Как новейшие технологии помогли сдвинуть с места нераскрываемое дело...
Главный секрет человеческого дыхания: ученые рассказали, почему мы дышим «вахтовым методом»
Эксперты предупреждают: из-за особенности организма многие люди не смогут попасть в космос. Но решение все-таки есть...
Древнеримский артефакт переписывает историю Америки: Колумб был не первым?
Почему находка из индейской могилы почти 100 лет вызывает ожесточенные споры среди археологов и историков?...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...