Физики из Национального Института Стандартов и Технологий смогли заставить тысячи атомов, удерживаемых в лазерном луче, одновременно обмениваться спинами со своими партнёрами.

Благодаря особенностям законов квантовой механики, квантовые компьютеры однажды смогут решать задачи, слишком трудновычислимые для обычных, «классических» компьютеров. Одним из примерно дюжины классов систем, рассматриваемых в качестве возможной основы кубитов (квантовых битов), являются нейтральные атомы, слабое взаимодействие которых сокружением должно снизить вероятность ошибок.

Группа учёных под руководством Нобелевского лауреата Уильяма Филлипса продемонстрировала так называемую операцию обмена – атомы-партнёры обмениваются своими спиновыми состояниями. На языке двоичных вычислений возможные состояния соответствуют 1 (спин вверх) и 0 (спин вниз). Однако в отличие от классических битов, которые либо меняют своё состояние, либо остаются в прежнем, квантовые биты могут находиться в необычном состоянии суперпозиции переключившегося и не переключившегося кубита. При этих условиях обмен спинами «спутывает» пары кубитов – квантовое явление, проявляющееся во взаимосвязанности состояний атомов даже при физическом разделении. Это «спутывание» является одной из основ потенциальной мощности квантовых компьютеров.

Процесс обмена состояниями является одним из механизмов создания логической связи между данными – основы всех вычислений. Логическая операция эквивалентна высказыванию типа «если, то»: например, «если два кубита имеют разные состояния, они обмениваются состояниями». В квантовых компьютерах логические связи создаются с помощью «спутывания», что, по сути, позволяет одновременно и коррелировано использовать несколько возможных конфигураций.

Эксперимент проводился с примерно 60 000 атомов рубидия в состоянии Бозе-конденсата, особенной форме состояния вещества, в котором все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии. Они удерживались в трёхмерной решётке, созданной тремя парами инфракрасных лазеров. При этом лазеры были расположены так, чтобы получилось две перекрывающиеся решётки, одна из которых в одном направлении имела вдвое меньший период, чем другая. Включая их по очереди, учёные могли объединять и разделять пары ячеек – аналогично экспериментам по квантовой интерференции, проведённым ранее этой же группой.

Схема решётки с парами атомов в ячейках.

Вначале в каждую ячейку помещался одиночный атом со спином вверх (1) или вниз (0). Затем ячейки попарно объединялись, вызывая взаимодействие атомов. При этом законы квантовой механики налагают определённые требования симметрии для тождественных частиц, запрещающие две из четырёх возможных комбинаций состояний. За счёт этого пара атомов «осциллирует» между состоянием, в котором первый атом находится в состоянии 1, а второй – 2, и противоположным состоянием.

В процессе обмена спинами пара атомов подвергается квантовому спутыванию. Когда они проходят точку «полу-обмена», спин каждого атома неопределён, и при измерении с равной вероятностью будет соответствовать единице и нулю. Однако вне зависимости от этого результата, состояние спина другого атома, столь же неопределённое до измерения, с гарантией окажется противоположным.

В настоящее время исследователи ищут лучшие способы манипулировать парами атомов – не сразу всеми, как в этом эксперименте, а с возможностью обращения к отдельным парам. Это позволило бы создать работающую вычислительную архитектуру. Кроме того, из-за неидеального начального распределения атомов по ячейкам не все атомы участвуют в обмене спинами (по оценкам авторов, доля участвующих в обмене атомов не менее 65%). Наконец, необходимо разработать надёжный способ разделения атомов после того, как они провзаимодействовали.

Василий Артюхов