Осуществлена квантовая запутанность в алмазе

Эксперимент был осуществлён «внутри» синтетического алмаза, содержащего значительную долю изотопов углерода-13. На иллюстрации: искусственный кристалл Apollo (фото Steve Jurvetson).

Международной группе учёных впервые удалось добиться переноса квантовых состояний частиц в твердотельном материале. По мнению многих специалистов, получение устойчивого эффекта «телепортации» позволит в будущем создать работоспособную модель квантового компьютера.

Отчёт об этом эксперименте опубликован в журнале Science.

Опыты по установлению и удержанию дистанционной корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов проводятся не первый год. Учёные уже «связывали» несколько отдельных атомов, например восемь ионов кальция, или группу фотонов.

Спутать же частицы в твердотельных системах, которые теоретически обеспечат квантовому состоянию бóльшую устойчивость, до сих пор ни у кого не получалось.

Группа физиков под руководством профессора Йорга Врахтрупа (Jörg Wrachtrup) из университета Штутгарта (Universität Stuttgart) продемонстрировала, что возможно добиться квантовой запутанности двух или трёх частиц в кристаллической решётке.

Напомним, что под запутанностью подразумевается передача от одной частицы к другой набора каких-либо её квантовых характеристик (например, значения спина у электрона) – одной или нескольких. Мы подробно писали об этом удивительном явлении здесь и здесь.

В тот момент, когда Золушка делает замер поляризации первой из спутанных частиц, нам становится известно, какая характеристика будет у второй, которую измеряет прекрасный принц (иллюстрация с сайта ipod.org.uk).

Поскольку характеристика частицы – в силу принципа неопределённости Гейзенберга – носит вероятностный характер, это открывает новые возможности в вычислительной технике: там, где обычный компьютер вычисляет функцию от одной переменной, квантовый компьютер получает сразу все значения функции, «размазанные» в пространстве волнообразно,– производительность должна вырасти экспоненциально.

Но вот добиться запутанности в лабораторных условиях – не так просто. В первую очередь потому, что необходимо обеспечить устойчивость квантовых состояний: связанные частицы, взаимодействуя с внешней средой, стремятся вернуться из спутанного состояния в «обычное». И чем частиц больше, тем их сложнее удержать.

В ходе эксперимента в структуру искусственного алмаза добавили атом азота – он получает один спутанный электрон, взаимодействуя с соседним атомом углерода.

Впоследствии эти частицы можно с помощью лазера «обратить» в квантовое состояние спутанности, а потом, прикладывая к ним магнитное или электростатическое поле, «переместить» характеристику электронного спина от атома азота атому углерода в решётке.

По словам Врахтрупа, аналогичная технология используется уже более 10 лет, например, при спектроскопии ядерного магнитного резонанса, и открытие его группы состоит в том, что им удалось добиться эффекта переноса для твердотельной системы, причём при комнатной температуре.

«Качество полученной нами квантовой запутанности превосходит все достигнутые на сегодняшний день результаты», — говорит профессор Врахтруп (фото с сайта uni-stuttgart.de).

Алмазы – очень привлекательный материал для создания квантовых компьютеров, поскольку в них когерентность состояний сохраняется гораздо дольше, и её проще контролировать. Соответственно, на выходе такого устройства будет меньше ошибок.

Впрочем, остаются вопросы относительно количества электронов, которые можно связать в кристаллической решётке. А это – важнейшая вычислительная характеристика гипотетического квантового компьютера.

Но немецкий учёный уверен: в будущем эта проблема будет решена.

Возможно, вам будет интересно узнать о  рабочих моделях квантовых чипов или о системе хранения данных на одном фотоне.



Учёные создали однофотонный космический канал

3 апреля 2008

Создан генератор тока в один электрон

28 мая 2007

Впервые спроектирована гибридная квантовая система

12 апреля 2007

Квантовые чипы на продажу: изнанка сенсации

15 февраля 2007

Придумана система хранения данных на одном фотоне

19 января 2007