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
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...