Использование двух атомов различных элементов позволяет повысить стабильность квантовых систем

Квантовые системы являются действительно «хрупкими» вещами, любое, даже самое слабое воздействие на них факторов из окружающего их мира приводит к изменению состояния системы. Такие особенности определяют ряд трудностей, с которыми сталкиваются разработчики квантовой памяти и квантовых вычислительных устройств, ведь пока еще не имеется достоверного способа узнать об изменении состояния системы и о возникновении случайной ошибки. Не так давно были разработаны технологии коррекции ошибок квантовой памяти, частично позволяющие решить вышеуказанную проблему, а недавно две независимых группы исследователей предложили достаточно простой метод, позволяющий избежать возникновения ошибок определенного рода в квантовых системах.

Предложенным решением является использование двух атомов различных химических элементов, запутанных на квантовом уровне. И если какое-либо воздействие из окружающей среды затрагивает состояние одного из атомов, оно, это воздействие, не изменяет состояние второго атома. Такой метод защиты достаточно эффективен и при помощи двухатомных квантовых битов, кубитов, можно создавать ячейки квантовой памяти, логические элементы и прочие устройства. Проведенные измерения принципов работы запутанных пар атомов продемонстрировали их квантовую природу и запутанность с точностью около 40 стандартных отклонений от поведения с точки зрения классической физики.

Ученым уже удавалось запутать на квантовом уровне различные частицы, к примеру, атом и фотон, электрон и фотон, что позволяет при помощи фотона быстро передавать информацию на большие расстояния. Однако, как было упомянуто выше, в данном случае исследователи запутали атомы разных типов. Такой метод позволяет реализовать управление квантовой системой при помощи фотонов с разными длинами волн. Фотон с определенной длиной волны затрагивает только один из атомов системы, не оказывая воздействия на второй атом.

Группа ученых из Оксфордского университета для построения двухатомных кубитов использовала атомы двух разных изотопов кальция. Вторая группа из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology) и Вашингтонского университета (University of Washington) использовала атомы совершенно различных элементов — бериллия и магния. Атомы кальция способны сохранять свое квантовое состояние в течение минуты, а атомы магния и бериллия — в течение полутора секунд, но в обоих случаях этого времени вполне достаточно для создания функционирующих квантовых битов.

Обе группы сообщили, что атомы их кубитов были надежно запутаны на квантовом уровне, вероятность этого составляет 0.998 и 0.979 в случае атомов кальция и магния. Группа из NIST оказалась способной отследить изменения состояния атома бериллия, наблюдая за изменениями квантового состояния атома магния. Тест, позволяющий определит истинно квантовую природу взаимосвязи между атомами, основан на формулах так называемого неравенства Белла (Bell’s inequality). В случае классического поведения системы, получаемые значения находились бы ниже некоего критического числа, а в случае квантовой природы системы значения были бы намного выше предела. Тесты, проведенные командой из Оксфорда, показали 15-кратное превышение предела, а тесты NIST дали еще большее значение — в рамках 40 стандартных отклонений. И оба этих результата говорят о том, что квантовые системы из двух атомов работают исключительно за счет явления квантовой запутанности.

Группа из NIST также продемонстрировала, что пары атомов бериллия-магния могут быть расположены и связаны таким образом, что они сформируют элементарные логические элементы, выполняющие базовые функции — NOT, CNOT, SWAP и другие, которые могут стать основой будущих квантовых компьютеров.

Важно отметить, что все проведенные эксперименты были лишь демонстрацией возможностей новой квантовой технологии, исследователям еще не удалось создать даже примитивного квантового вычислительного устройства, способного производить какие-либо действия. Однако, данное достижение уже само по себе является достаточно большим шагом на пути к созданию квантовых компьютеров, одним из возможных вариантов их создания. И чем больше будет таких вариантов, тем больше будет вероятность того, что квантовые компьютеры все же будут созданы в недалеком будущем.