Физики из американского Института Стандартов и Технологий создали первую гибридную квантовую систему-кубит, состоящую из атомов разных элементов. В ней удалось реализовать несколько логических переключателей-вентилей и продемонстрировать справедливость ключевых для квантовой механики неравенств Белла. Статья исследователей опубликована в журналеNature параллельно с аналогичной работой другого коллектива, где вместо разных элементов использовались разные изотопы одного элемента. Двум работам посвящен редакционный материал Nature.

Квантовая система состояла из положительно заряженные ионов бериллия-9 и магния-25.С помощью нескольких лазеров c разной длиной волны ученые смогли заставить ионы взаимодействовать друг с другом на уровне электронных спинов. Другими словами, ионы были объединены в единую запутанную квантовую систему, где спины электронов коррелировали друг с другом.

Взаимодействие ионов позволило реализовать в системе несколько логических вентилей: CNOTи SWAP.Теоретически, эта технология позволяет реализовать универсальный набор переключателей, достаточный для создания полноценного квантового компьютера (недавно протестированный D-Wave таким не является).

Ловушка, в центре которой захвачены ионы, составляющие гибридный кубит. Изображение: Blakestad/NIST

По словам авторов, ключевым для успеха работы стал подбор фазы лазеров, взаимодействующих с ионами и контроль этой фазы на протяжении эксперимента. И хотя до практической реализации квантового компьютера на этой базе еще далеко, использование разных ионов водной системе имеет важные преимущества:такие атомы имеют разные максимумы поглощения, что позволяет записывать и считывать информацию на разной длине волны и минимизировать интерференцию.

Важным, хотя и побочным результатом работы стала очередная демонстрация выполнения неравенств Белла в квантовой системе. Эти неравенства (или теорема, как сейчас говорят) описывают поведение запутанных фотонов, электронов — любых квантовых объектов. В запутанной системе — например, паре фотонов, возникших в результате радиоактивного распада — измерение поляризации одного фотона немедленно сказывается в состоянии другого, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Кажется, что это противоречит принципу теории относительности о конечности скорости, с которой может переносится информация (правильнее — принципу локальности). 

Одно из самых доступных объяснений теоремы Белла

В мысленном эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена такое поведение квантовой системы физики пытались объяснить существованием неких скрытых параметров, которые определяют поведение запутанных частиц без нарушения локальности. Однако Джон Белл показал, что существование скрытых параметров накладывает вполне определенные ограничения на корреляцию измерений запутанных частиц. И эти ограничения — так уж показывают эксперименты, — не выполняются. В новой системе с ионами разных элементов эти несоответствия в корреляции измерений были показаны с очень высокой статистической значимостью в 40 сигма.

Автор: Александр Ершов