Новітні експерименти з польоті алмазами приведуть до створення машин, здатних моментально вирішити непідвладні сучасним суперкомп'ютерів завдання

Сучасні обчислювальні системи працюють всі повільніше, не справляючись з багатьма актуальними завданнями. Вчені різних країн світу активно працюють над технологіями, які прийдуть на зміну застарілим пристроїв. Альтернатива номер один - квантові комп'ютери, які здатні дуже швидко робити складні математичні обчислення, які передбачають кілька варіантів рішень. Це, наприклад, оптимізація маршрутів транспорту, секвенування ДНК , Прогноз біржових котирувань і підбір криптографічних ключів - такі завдання не по зубах навіть самим потужним сучасним комп'ютерам.

Принципова відмінність квантових систем від звичайних в тому, що їх операційна одиниця - кубіт (квантовий біт) може перебувати в стані невизначеності, тобто, в декількох станах одночасно. Відповідно, відповіді, які видає квантовий комп'ютер - імовірнісні. Тим часом, якщо зробити кілька досить швидких прогонів однієї і тієї ж задачі, можна прийти до єдиного, правильної відповіді, найкращому з тисячі можливих рішень. Надзвичайно важлива перевага квантових систем також їх безпеку . Повідомлення, послані по лініях квантової зв'язку, неможливо буде ні перехопити, ні скопіювати.

Незважаючи на те, що кращі світові уми вже багато років працюють над створенням квантових комп'ютерів, їх досі немає. Проблема в самій ідеї таких машин, в тому, що один квантовий біт може приймати кілька значень одночасно: перебувати в станах "включено", "виключено" і в перехідному. Причому все кубіти повинні взаємодіяти між собою, тобто потрібно навчитися їх об'єднувати і керувати як як кожним кубітом окремо, так і системою в цілому. Цю задачу вирішити поки не вдається, але якщо фізики зрозуміють суть феномена кота Шредінгера і навчаться управляти пов'язаними з ним процесами, світ отримає перший повноцінний квантовий комп'ютер.

Кота Шредінгера - знаменитий уявний експеримент австрійського фізика-теоретика Ервіна Шредінгера, лауреата Нобелівської премії. У 1935 році він розробив ідею уявного експерименту: в закритий ящик поміщаються кіт і механізм, який при розпаді радіоактивного атома відкриває ємність з отрутою. Це може або відбутися, або не відбутися, за рахунок чого кіт в рамках принципів квантової фізики вважається і живим, і мертвим одночасно. Так виник термін "квантова заплутаність". На практиці подібний експеримент навряд чи можна провести, оскільки робота квантової системи ящика Шредінгера залежить від гравітаційного уповільнення часу, особливостей реалізації механічної частини і цілого ряду інших факторів. Однак новітні експерименти світових вчених обіцяють прорив, який серйозно наблизить реалізацію подібного досвіду, а відповідно, створення квантових систем.

так, в новому номері журналу Nature Photonics описаний унікальний досвід, який провів міжнародний колектив фізиків на чолі з фахівцями з Рочестерського університету . Дослідники розробили установку, яка здатна за допомогою променя лазера утримувати на льоту наночастинки алмазів і при цьому змушувати їх світитися. Використовувалися наноалмази, всередині яких є незвичайний дефект - одиничне вкраплення у вигляді атома азоту. Такі дорогоцінні камені широко використовуються в експериментах по створенню квантових комп'ютерів, так як спіном електронів в них досить легко оперувати. Очолив роботу Леві Нойкирх з університету Рочестера вважає, що нова технологія стане основою створення макроскопічних станів Кіт Шредінгера і першим кроком до гібридної квантової системі.

Раніше ця ж команда вчених змусила алмази парити в повітрі за допомогою лазерного променя. Але в ідеалі потрібно було захистити наночастинку від будь-яких механічних взаємодій з навколишнім середовищем, в тому числі від зіткнень з молекулами повітря. Нове дослідження демонструє, що левітації можна виробляти в вакуумі, а це найважливіший прорив в порівнянні з усіма колишніми дослідами з використанням наноалмазов і оптичного пінцета, проведеними в рідинах або при атмосферному тиску. Наноалмази, що вловлюються в умовах атмосферного тиску, постійно стикаються з молекулами повітря навколо них.

Уловлювання наноалмазов в вакуумі усуває ефект молекул повітря, їх рухами керують тільки закони квантової фізики. Це дозволяє керувати станом квантових систем за допомогою механічного впливу на них.
Це дозволяє керувати станом спина електрона (його внутрішнім квантовим властивістю) в атомі азоту всередині левітірующіх алмазів. Якщо повністю зупинити коливання самого алмазу, можна одночасно переміщати спин електрона вгору і вниз, що змусить алмаз перебувати відразу в двох місцях одночасно. Головна проблема в тому, що при попаданні в вакуум алмази руйнуються, проте фізики впевнені, що їм незабаром вдасться знайти спосіб зберегти камені і створити першого в історії "алмазного" кота Шредінгера.

Чималих успіхів в цій сфері досягли і швейцарські фізики з Університету Базеля, які створили зворотну версію кота Шредінгера . Вони навчилися безпосередньо управляти роботою квантової системи за допомогою її механічного компонента, не викликаючи побічних ефектів і помилкових результатів. Установка складається з двох компонентів: мікроскопічного алмазу з особливими вадами, що забезпечують наявність заплутаних електронів, і механічного резонатора, до якого прикріплений алмаз.

Описуючи розробку в журналі Nature Physics, який очолив експеримент Патрік Малетінскій розповідає, що стан заплутаних електронів залежить від того, в який бік направлено механічне напруження всередині резонатора. Це одночасно дозволяє безпомилково міняти і дізнаватися стан електронів в довільний час (за допомогою магнітного поля і особливого мікроскопа) і захищає їх від втрати заплутаного стану. Створення такого зв'язку між квантової і механічною системами призведе до створення квантової пам'яті і квантових комп'ютерів, а також надчутливих датчиків і наукових приладів.