Современная область квантовой физики уже почти вплотную приблизилась к моменту технологического прорыва, после которого на свете появятся новые типы датчиков, безопасных коммуникационных технологий и, безусловно, квантовые компьютеры. Однако, главным препятствием к этому прорыву пока является отсутствие подходящего способа соединения и управления достаточно большим числом компонентов квантовых систем, в роли которых могут выступать даже отдельные атомы. Группа исследователей из Венского Технологического университета (TU Wien) и Гарвардского университета недавно нашла новый способ передачи квантовой информации. Они предлагают использовать для этого очень слабые механические колебания, точнее, «пакеты» этих звуковых колебаний, известных под названием фононы.

«Мы используем кристаллы алмазов со встроенными в них атомами кремния – именно такой вариант реализации квантовых систем представляется нам наиболее перспективным» – рассказывает профессор Питер Рэбл (Peter Rabl), – «Обычные алмазы состоят из одного углерода, но замена атомов углерода атомами азота или кремния в некоторых узлах решетки алмаза приводит к появлению дефектов, которые способны хранить в себе квантовую информацию, т.е. эти дефекты являются квантовыми битами, кубитами. Состояние этих кубитов может быть установлено и считано при помощи микроволновых сигналов или другими способами».

В своих экспериментах ученые организовали цепочку дефектов, выровненных по одно линии, являющейся центральной осью тонкого алмазного цилиндра, длиной несколько микрометров. Этот алмазный цилиндр может вибрировать на собственной резонансной частоте, как одна из частей «вилки» камертона, однако эти колебания имеют очень малую амплитуду. Но самым интересным является то, что физика этих колебаний описывается уже не законами классической физики, а законами квантовой механики. Более того, эти колебания позволяю атомам кремния сформировать квантово-механическую связь друг с другом.

«Свет состоит из фотонов, квантов света. Точно в такой же манере можно описать и механические звуковые колебания, кванты которых называют фононами» – рассказывает профессор Рэбл, – «И эти фононы при соответствующих условиях могут являться носителями квантовой информации, как и фотоны света».

Используя созданную ими квантовую систему, ученые продемонстрировали ее возможности к выполнению квантовых вычислительных операций и хранению квантовой информации. Для управления состоянием отдельных атомов кремния использовались микроволновые сигналы, во время изменения квантового состояния эти атомы или испускали или поглощали фононы, испущенные другими атомами. Это, в свою очередь, приводило к возникновению связи между атомами, основой которой является квантовая запутанность, через которую осуществлялась передача квантовой информации.

До настоящего времени ученые даже не подозревали о такой возможности.

«Мы ожидали, что фононы будут поглощены чем-нибудь, или они растеряют свои квантовые свойства, войдя в контакт с окружающей средой» – рассказывает профессор Рэбл, – «Тем не менее, кристалл алмаза является хорошей защитой для фононов, и мы показали, что эти фононы годятся для организации взаимодействия между элементами реальных квантовых систем».

«Главным преимуществом новой технологии является ее масштабируемость» – рассказывает профессор Рэбл, – «Используя фононы и микроволновые технологии управления ими, мы сможем строить квантовые системы практически любой сложности, способные решать тяжелые с вычислительной точки зрения задачи».