Квантовые кубиты на основе молекул? Ученые впервые научились управлять молекулами для сверхскоростных расчетов

Гарвардская команда физиков впервые в истории заставила отдельные молекулы выполнять сложные квантовые операции, фактически превратив их в полноценные логические вентили. Эксперимент, в котором использовались ультрахолодные полярные молекулы натрия-цезия (NaCs), доказывает: молекулярные системы могут стать базой для квантовых компьютеров нового поколения, способных обрабатывать данные с мощностью, недоступной для классических машин.

Молекулярные кубиты: от хаоса к порядку

Ключевое отличие новой работы — переход от простых частиц (ионов, атомов) к сложным молекулам. Традиционно считалось, что их внутренняя структура слишком хаотична для управляемых квантовых операций. Однако исследователи смогли «обуздать» эту сложность, используя оптические ловушки — сфокусированные лазерные лучи, которые удерживали молекулы в неподвижном состоянии.

Принцип запутывания и iSWAP-вентиль

В основе эксперимента лежит создание запутанного состояния Белла. Ученые заставили две молекулы взаимодействовать через диполь-дипольное взаимодействие, тонко регулируя их вращение. Это позволило реализовать iSWAP-вентиль — аналог логического элемента в классических процессорах. В отличие от обычных вентилей, iSWAP не только обменивает состояния кубитов, но и вносит фазовый сдвиг, что является критически важным для квантовых алгоритмов.

Сложность использования молекул заключается в их богатой внутренней структуре. Каждая молекула NaCs обладает множеством энергетических уровней и вращательных состояний. Это создает больше возможностей для кодирования информации, но одновременно требует исключительной точности управления. Гарвардская группа доказала, что эта точность достижима.

Создание управляемого молекулярного кубита — это не просто лабораторный трюк. Молекулы, в отличие от атомов или ионов, могут хранить значительно больше квантовой информации благодаря своим внутренним степеням свободы. Это открывает путь к созданию квантовых процессоров с гораздо большим числом логических состояний на один физический элемент.

До этого эксперимента основным препятствием считалась нестабильность молекул. Их взаимодействие с окружающей средой разрушало квантовую когерентность за доли секунды. Использование сверхнизких температур и оптических «пинцетов» позволило изолировать молекулы и продлить время их жизни в квантовом состоянии. Теперь задача — масштабировать эту технологию до сотен и тысяч кубитов.

Успех с молекулами NaCs меняет приоритеты в области квантовых вычислений. Если ранее фокус был на увеличении числа атомных кубитов, то теперь исследователи получают альтернативный путь: использовать сложность самой материи для увеличения вычислительной мощности. Это особенно важно для задач моделирования химических реакций и разработки новых материалов, где молекулярная природа системы является не недостатком, а преимуществом.