Физикам впервые удалось запутать квантовые состояния двух атомов с помощью микроволн, что в перспективе позволит радикально уменьшить размер квантовых вычислительных устройств, работающих на основе лазеров и занимающих сейчас целую комнату.

Физики из американского Национального института стандартов и технологий (НИСТ) отнюдь не первые, кто пытается использовать микроволновое излучение (применяемое сегодня в беспроводном WiFi, Bluetooth и WiMax оборудовании) для манипуляций квантовыми состояниями отдельных атомов (точнее, ионов – электрически заряженных атомов).

Однако группе экспериментаторов из НИСТ впервые удалось расположить ионы на расстоянии всего 30 микрометров от микроволновых излучателей малой интенсивности и добиться квантовой спутанности частиц – квантового эффекта, лежащего в основе работы абсолютно защищенных квантокриптографических каналов связи, а также алгоритма коррекции ошибок в квантовом компьютере.

Прибор, с помощью которого удалось запутать атомы, представляет собой интегрированную с микроволновыми излучателями ионную ловушку размером с микрочип и установку из лазеров, зеркал и линз, занимающую площадь небольшой столешницы. Таким образом,

разработанное в НИСТ экспериментальное устройство получилось в десять раз меньше, чем размер лазерных установок, обычно используемых для квантового запутывания атомов.

Обычной реакцией на фотографии больших и сложных лабораторных аппаратов, продуцирующих квантовые эффекты, является вопрос, как такие монстры могут быть уменьшены до компактных вычислительных устройств более или менее бытовых размеров. Экспериментальная установка НИСТ также требует использования ультрафиолетовых лазеров малой мощности, но уже только для охлаждения ионов. Собственно квантовое спутывание происходит в миниатюрном устройстве размером с микрочип.

В принципе, как оптимистично полагают физики из НИСТ, лазерный блок установки может быть уменьшен до размера устройств, применяемых в портативных DVD-плеерах. По сравнению со сложными, дорогими и громоздкими лазерами, которые используют для спутывания ионов, микроволновая электроника более дешевая, намного более компактная, а главное, легко масштабируемая, что позволит создавать промышленные платформы для спутывания тысяч атомов.

«Мы допускаем, что средний квантовый компьютер будет выглядеть как гаджет размером с большой смартфон, соединенный с устройством типа лазерной указки, в то время как более мощные машины будут похожи на процессорный блок обычного десктопного компьютера», – считает сотрудник НИСТ Дитрих Либфрид, соавтор статьи в Nature, излагающей результаты эксперимента (с текстом статьи можно ознакомится на сайте электронных препринтов).

«Использованные нами компоненты дешевы и широко распространены на рынке, и это нас очень вдохновляет», – резюмирует физик.

Несмотря на то что существуют и другие кандидаты на роль носителей квантовой информации (квантовых битов, или кубитов), эксперименты с ионами атомов, демонстрирующими квантовые эффекты, показывают пока наилучшие результаты в плане устойчивости квантовых состояний, что позволяет производить квантовые вычисления с большей аккуратностью и меньшей потерей информации.

В экспериментах НИСТ пара ионов удерживается электромагнитным полем, паря над микрочипом, состоящим из золотых электродов и обложки из нитрида алюминия толщиной 120 мкм.

Рис. 1. Устройство микрочипа, запутывающего спины ионов (красные шарики в центре): электроды-ловушки (RF1, RF2), микроволновые излучатели (MW1–3), контрольные электроды (С1–6) \\ NIST.

Электромагнитное поле, излучаемое двумя электродами, выполняет роль ловушки, удерживающей ионы между тремя другими электродами, испускающими микроволны в диапазоне 1–2 ГГц. Ионы, двигающиеся в одном магнитном поле, синхронно возбуждаются, одновременно меняя ориентацию своих спинов, направление которых, таким образом, оказывается взаимосвязанным, или спутанным.

Физики НИСТ перебрали тысячи различных вариантов, по-разному комбинируя работу электродов, пока не нашли оптимальную последовательность электромагнитных импульсов, возбуждающих ионы и спутывающих их спины. Но если в других лабораториях для возбуждения и спутывания атомов используются громоздкие лазеры, то теперь вся драма по спутыванию квантовых состояний атомов развернулась на площадке размером в десятки микрометров.

В общей сложности эффект спутанности достигался в 76% от всего времени экспериментов, что намного превышает статистический порог в 50%, выше которого можно констатировать наличие квантовых эффектов в наблюдаемой системе.

В лазерных установках результаты пока выше, достигая 99,3%, однако в сравнении с микрочиповой установкой цена и, так сказать, размер вопроса тоже получаются больше.