Физики впервые создали квантовый кутрит из одной молекулы
Физики сделали первый шаг к созданию квантовых компьютеров из отдельных молекул, захваченных лазерными устройствами, так называемыми оптическими пинцетами. Сразу две команды — одна из Гарвардского университета, другая из Принстонского университета — сообщили о своих результатах. В обоих случаях пары молекул монофторида кальция взаимодействуют так, что возникает эффект «запутывания» — решающий эффект для квантовых вычислений.
Адам Кауфман, физик из Университета Колорадо в Боулдере сказал журналу Nature: «Это открывает возможности для использования запутанных состояний для расширения потенциальных применений массивов молекулярных пинцетов».
В первых демонстрациях основных принципов квантовых вычислений в конце 1990-х годов использовался раствор большого количество молекул внутри машины МРТ. С тех пор исследователи разработали множество других платформ для квантовых вычислений, включая сверхпроводящие схемы и отдельные ионы, удерживаемые в вакууме. Каждый из этих объектов используется как фундаментальная единица квантовой информации, или кубит — квантовый эквивалент битов в классических компьютерах.
В последние несколько лет появился еще один сильный претендент, в котором кубиты состоят из нейтральных атомов, а не из ионов. Нейтральные атомы можно захватить с помощью «пинцета» — высокосфокусированного лазерного луча.
Теперь две отдельные команды добились прогресса в использовании этого подхода с молекулами вместо атомов. «Работать с молекулами сложнее, но они предлагают новые способы кодирования квантовой информации и новые способы взаимодействия», — говорит Лоуренс Чеук, соавтор одной из статей, физик из Принстона.
Очень холодные молекулы
В обоих исследованиях использовались массивы оптических пинцетов. Каждый пинцет удерживал одну молекула. С помощью лазерных методов ученые охладили молекулы до температуры в десятки микрокельвинов, что всего на миллионные доли градуса выше абсолютного нуля. В этом состоянии молекулы близки к полной неподвижности. Их вращение можно остановить или заставить вращаться всего лишь с одним квантом углового момента — наименьшей частотой вращения, которую они могут иметь. Обе команды использовали невращающиеся молекулы для обозначения состояния «0» своих кубитов, а вращающиеся — для обозначения состояния «1».
Монофторид кальция обладает сильной поляризацией: отрицательные электрические заряды, переносимые его электронами, группируются по направлению к атому фтора, оставляя на кальциевом конце молекулы чистый положительный заряд. Исследователи смогли заставить две молекулы монофторида кальция взаимодействовать, «чувствуя» положительные и отрицательные полюса друг друга. «Диполярное взаимодействие молекул дает нам дополнительную ручку настройки», — говорит Джон Дойл, соавтор одной из статей, физик из Гарвардского университета в Кембридже.
Таким образом, командам удалось продемонстрировать, что молекулы «запутались», а это означает, что они образовали коллективную квантовую систему, что и нужно квантовым компьютерам для запуска алгоритмов.
Трехзначная логика
По словам исследователей, для большинства приложений молекулярные квантовые компьютеры будут медленнее, чем те, которые используют другие типы кубитов. Но молекулы могут стать естественной средой для манипулирования квантовой информацией с помощью «кутритов», которые имеют три возможных состояния: −1, 0 и +1. Кутриты могут предложить способ проведения квантового моделирования сложных материалов или фундаментальных сил физики.
Дойл добавляет, что эти достижения могут также помочь в использовании захваченных молекул для высокоточных измерений, которые могли бы выявить существование новых элементарных частиц.
Работа «подчеркивает феноменальную скорость развития этой области», — говорит Ханна Уильямс, физик из Даремского университета, Великобритания. — «Благодаря этому достижению физики показали, что молекулы станут основой конкурентоспособной платформы, способной к квантовому моделированию».