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
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...