Ученые обнаруживают сильно запутанную пару протонов на поверхности нанокристаллического кремния, что потенциально открывает новые уровни высокоскоростных вычислений, пишет eurekalert.org со ссылкой на Physical Review B. Одно из самых интересных явлений в квантовой механике – «квантовая запутанность». Это явление описывает, как определенные частицы неразрывно связаны, так что их состояния можно описать только со ссылкой друг на друга.

Это взаимодействие частиц также составляет основу квантовых вычислений. Вот почему в последние годы физики искали методы создания запутанности. Однако эти методы сталкиваются с рядом инженерных препятствий, включая ограничения в создании большого количества «кубитов» (квантовые биты, основная единица квантовой информации), необходимость поддержания чрезвычайно низких температур (<1 К) и использование сверхчистых материалов.

Поверхности или интерфейсы имеют решающее значение в образовании квантовой запутанности. К сожалению, электроны, удерживаемые на поверхности, склонны к «декогеренции» – состоянию, при котором нет определенного фазового соотношения между двумя отдельными состояниями. Таким образом, для получения стабильных когерентных кубитов необходимо определить спиновые состояния поверхностных атомов (или, что эквивалентно, протонов).

Недавно группа ученых из Японии, включая профессора Такахиро Мацумото из Городского университета Нагоя, профессора Хидехико Сугимото из Университета Тюо, доктора Такаши Охара из Японского агентства по атомной энергии и доктора Сусуму Икеда из Организации исследования ускорителей высоких энергий, заявила о необходимости стабильных кубитов. Изучая поверхностные спиновые состояния, ученые обнаружили запутанную пару протонов на поверхности нанокристалла кремния.

Профессор Мацумото, ведущий ученый, подчеркивает важность их исследования: «Запутывание протонов ранее наблюдалось в молекулярном водороде и играет важную роль в различных научных дисциплинах. Однако запутанное состояние обнаружено только в газовой или жидкой фазах. Теперь мы обнаружили квантовую запутанность на твердой поверхности, которая может заложить основу для будущих квантовых технологий».

Ученые исследовали спиновые состояния, используя метод, известный как «спектроскопия неупругого рассеяния нейтронов», чтобы определить природу поверхностных колебаний. Моделируя эти поверхностные атомы как «гармонические осцилляторы», они показали антисимметрию протонов. Поскольку протоны были идентичны (или неразличимы), модель осциллятора ограничивала их возможные спиновые состояния, что приводило к сильной запутанности. По сравнению с запутыванием протонов в молекулярном водороде запутанность содержала огромную разницу энергий между его состояниями, что обеспечивало его долговечность и стабильность. Кроме того, ученые теоретически продемонстрировали каскадный переход терагерцовых запутанных пар фотонов с использованием запутывания протонов.

Слияние протонных кубитов с современной кремниевой технологией может привести к органическому объединению классических и квантовых вычислительных платформ, что позволит использовать гораздо большее количество кубитов, чем доступно в настоящее время, и сверхбыструю обработку данных для новых суперкомпьютерных приложений.

«Квантовые компьютеры могут справляться со сложными задачами, такими как целочисленная факторизация и «проблема коммивояжера», которые практически невозможно решить с помощью традиционных суперкомпьютеров. Это может изменить правила игры в квантовых вычислениях в отношении хранения, обработки и передачи данных, что может даже привести к смене парадигмы в фармацевтике, безопасности данных и многих других областях», – заключает профессор Мацумото.