А вы когда-нибудь задумывались о том, как далеко могут «общаться» друг с другом элементарные частицы? Не в теории, а на практике? Представьте себе: крошечные «магнитики», спины электронов, разделенные расстоянием, которое по меркам микромира просто огромно, начинают обмениваться информацией. Это не фантастика, а вполне реальное достижение, которое открывает новые горизонты в квантовых вычислениях.
Зачем квантовому компьютеру «дальняя связь»?
Квантовые компьютеры — это не просто более мощные калькуляторы. Это машины, которые работают по законам квантовой механики и могут решать задачи, недоступные для классических компьютеров. Главная «изюминка» квантового компьютера — это кубит, квантовый аналог бита, который может хранить не только 0 или 1, но и их суперпозицию, некое промежуточное состояние.
Но для того, чтобы квантовый компьютер был по-настоящему мощным, нужно научиться «связывать» эти кубиты, заставляя их взаимодействовать друг с другом. А вот тут и возникает проблема: большинство квантовых систем «общаются» только на очень малых расстояниях. И как создать квантовый компьютер, если кубиты не могут взаимодействовать между собой на достаточном удалении друг от друга?
Электронный «шепот» через сверхпроводящий мостик
Исследователи из Делфтского технического университета в Нидерландах, похоже, нашли решение. Они разработали метод, позволяющий двум электронным спинам общаться на расстоянии 250 микрометров — это, поверьте, целая пропасть в мире атомов. Как же им это удалось?
Всё дело в «мосте», построенном из сверхпроводящего резонатора. Это устройство выступает в роли посредника. В чём же фокус?
a, Ложноцветное оптическое изображение устройства, используемого в данной работе, показывающее резонатор, заземленные плоскости и веерное расположение затворов DQDs. Микроволновые порты входа/выхода используются для исследования передачи через резонатор, а кран постоянного тока используется для смещения общего верхнего затвора Res (на рисунках b и c) двух DQD. b. Изображение сканирующей электронной микроскопии DQD с тем же дизайном, что и измеренный DQD1, показывающее рисунок затвора и микромагниты сверху. c. Изображение сканирующей электронной микроскопии аналогичного DQD без микромагнитов, чтобы показать полную схему затвора DQD2. Пунктирные линии очерчивают микромагниты измеренного устройства. Затворы, выделенные ложным цветом на рисунках b и c, — это плунжерные затворы Res и Pi, туннельно-барьерные затворы Bi и Ti и боковые затворы RPi и LPi. d, Схема архитектуры дальнего спин-спинового взаимодействия. Синие и красные линии обозначают дисперсионную и резонансную связи, соответственно. Сплошные линии представляют прямые связи — зарядово-фотонную электродипольную связь и спин-зарядную связь, обеспечиваемую градиентами микромагнита. Эти связи используются для зондирования зарядовой восприимчивости DQD, что позволяет настроить DQD на точку вырождения и на электродипольный спиновый резонанс, соответственно. Пунктирными линиями обозначены косвенные спин-фотонные связи, позволяющие осуществлять дисперсионное считывание спина. Пунктирная линия указывает на косвенную связь второго порядка, то есть спин-спиновую связь, опосредованную виртуальными фотонами, которая позволяет осциллу iSWAP Цитирование: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8
Автор: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al.Источник: www.nature.com
Представьте себе два микроскопических маятника, каждый из которых «привязан» к своей электронной частице. Теперь, если один маятник начинает колебаться, его энергия передаётся другому через этот сверхпроводящий мостик, как эхо, только гораздо точнее и в квантовом масштабе.
Квантовые «качели» во времени
Ученые использовали хитрый метод: они «возбудили» один из спинов, а другой оставили в спокойном состоянии. И вот тут началось самое интересное: спины стали «перекидываться» энергией. Когда один спин переходил в основное состояние, второй мгновенно переходил в возбужденное, и наоборот.
a, Последовательность импульсов для измерения осцилляций iSWAP, начиная с |10〉. Оба кубита инициализируются в |00〉 путем релаксации в точке зарядового вырождения. Затем кубит 2 изолируется в левой точке на 500 нс, в течение которых к кубиту 1 прикладывается π-импульс. Через 10 нс на кубит 2 снова подается импульс, и оба спина взаимодействуют друг с другом в течение тинта. После интервала взаимодействия кубит 2 изолируется в левой точке на 1 мкс, где релаксация ожидается более медленной, в то время как кубит 1 считывается с помощью зондирующего сигнала длительностью 400 нс. Затем кубит 1 изолируется в левой точке, а кубит 2 считывается с помощью зондирующего сигнала длительностью 400 нс. b, Точки данных показывают измеренное (изменение) пропускание, представляющее популяцию спин-ап для каждого спина, начиная с |10〉. Каждая точка данных усреднена по 106 временам. Здесь gs, 1(2)/2π ≈ 21,5 МГц и Δ2s, 1(2)/2π ≈ 65,5 МГц. Сплошные линии представляют собой подгонку к дисперсионной модели гамильтониана уравнения (1) (с добавлением шума; Дополнительный раздел D), из которой мы извлекаем силу взаимодействия 2J/2π, равную 11,6 +- 0,2 МГц. c, Последовательность импульсов, аналогичная приведенной в a, но начиная с |01〉. d, Аналогичные данные и подгонка, как в b, но начиная с |01〉. Здесь мы извлекаем 2J/2π = 11,8 +- 0,2 МГц. Цитирование: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8
Автор: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al.Источник: www.nature.com
Это колебание, эти «качели» квантовых состояний были зафиксированы во времени. Это как если бы два «партнера» в танце обменивались ролями в точно заданном ритме. Именно наблюдение этих временных колебаний стало ключевым достижением исследования.
a, b, осцилляции iSWAP d, с увеличением gs, 1(2)/2π до ~31,9 МГц. Подогнанные частоты колебаний теперь составляют 21,4 +- 0,3 МГц (a) и 21,3 +- 0,3 МГц (b). c, d, колебания iSWAP, аналогичные показанным на рис. 3b, d, с gs, 1(2)/2π, увеличенным до ~31,9 МГц, и Δ2s, 1(2)/2π, увеличенным до ~89 МГц. Здесь подогнанные частоты составляют 18,2 +- 0,4 МГц (c) и 18,7 +- 0,3 МГц (d). В a-d точки данных и сплошные линии представляют собой измерения и подгонку. Слабые сплошные линии воспроизводят (измененные) сплошные линии. Точки данных в a-d усреднены по 106 временам. e, осцилляции iSWAP как функция угла магнитного поля ϕ при Br = 52,3 мТл, начиная с |01〉 и считывания кубита 1. Виден шевронный узор, как обсуждается в основном тексте. f, Осцилляции iSWAP в зависимости от угла магнитного поля, аналогичные приведенным в e, но считывание кубита 2. Оси ϕ для e и f установлены на ϕ = 0, при котором колебания происходят медленнее всего. Фактические точки ϕ = 0 не совпадают, возможно, из-за небольшой разницы в намагниченности микромагнита между измерениями для e и f. Точки данных в e и f усреднены по 4,5 x 105 раз. Цитирование: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8
Автор: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al.Источник: www.nature.com
Что это значит для будущего?
Это открытие не просто любопытный научный факт. Оно открывает дорогу к созданию масштабируемых квантовых компьютеров. Теперь у нас есть шанс строить сложные квантовые схемы, соединяя кубиты на больших расстояниях, как «кирпичики».
Но на этом ученые не останавливаются. Следующий шаг — изучение взаимодействия спинов с реальными фотонами в резонаторе. Это откроет новые возможности для управления квантовыми системами и, возможно, приблизит нас к созданию полноценного квантового компьютера, способного решать самые сложные задачи, которые подбрасывает нам Вселенная. Так что, следим за развитием событий. Квантовый мир полон сюрпризов.
Этот веб-сайт использует файлы cookie или аналогичные технологии для улучшения вашего просмотра и предоставления персонализированных рекомендаций. Продолжая использовать наш веб-сайт, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности
Версия PHP на сервере не соответствует минимально необходимой. Datalife Engine не сможет корректно работать на данной версии PHP. Версия PHP должна быть не ниже 8.0.0. Ваша установленная версия 7.4.3
