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.