Свежий шаг навстречу квантовым вычислениям

Хосе Игнасио Паскуаль (Jose Ignacio Pascual) из nanoGUNE вместе с исследователями из Free University Берлина разработал метод манипулирования магнетизмом в атомах. Эта работа позволяет продвинуться вперед в поиске новых методов хранения информации и вычислений на атомном уровне.

Исследования в области технологии вычислений и хранения информации всегда направлены на то, чтобы сделать системы меньше и быстрее. Пределы миниатюризации диктуются природой: материалы состоят из конкретных единиц, атомов, которые не могут быть далее разделены. Возникает вопрос: можем ли мы кодировать данные на атомном уровне? Ответ – да, можем! Но для этого нужно манипулировать свойствами атомов индивидуально, и держать их в нужном состоянии достаточно долго, чтобы иметь возможность считать данные.

Одна из целей заключается в изучении, при каких условиях можно записывать и считывать данные, манипулируя магнетизмом атомов. Изучая поведение магнитных молекул в контакте с поверхностью сверхпроводника, ученые показали, что можно найти режим, в котором сверхпроводимость поверхности «помогает» магнетизму атома и облегчает процессы записи и чтения его магнитного состояния. Исследование вносит свой вклад на пути к конечной цели – вычислений на отдельных атомах, и оно показывает, что можно манипулировать магнитным состоянием, в котором находится атом, и сделать его достаточно устойчивым для последующего чтения.

Магнетизм и сверхпроводимость два очень сложных свойства материалов, которые используются во многих технологических применениях в разных областях, таких как вычисления и хранения данных, медицина, транспорт и т.д. Магнетизм определяется свойством атомов, известном как спин. Проще говоря, спин побуждает каждый атом вести себя, как маленький магнит.

Спин атома, как правило, располагается в определенном направлении, которое зависит от взаимодействия с окружающей средой. Таким образом, задача вычисления на основе спинов атомов сводится к управлению этой ориентацией при помощи электрических импульсов в качестве метода кодирования фрагментов данных. «Одна из проблем заключается в том, что спин находится очень мало времени в этом новом положении. Взаимодействие с окружающей средой доминирует, и он очень быстро возвращается в исходное состояние. Если мы хотим использовать спин для хранения данных, мы должны обеспечить пребывание его в сформированном состоянии более длительное время», – объясняет Хосе Игнасио Паскуаль.

В этом отношении, исследователи показали, что сверхпроводимость может помочь спину оставаться в установленном положении дольше. Основная трудность в том, чтобы заставить магнетизм и сверхпроводимость сосуществовать, потому что магнитное поле атома взаимодействует с электронами сверхпроводника и разрушает это свойство. Чтобы этого избежать, исследователи защитили магнитные атомы с помощью органического покрытия. «Если мы разместим те же атомы в том же месте без какой-либо защиты, сверхпроводимость будет автоматически исчезать в окрестностях атома», – указал Паскуаль.

После того, как сосуществование сверхпроводимости и магнетизма было достигнуто, эксперименты показали, что в сверхпроводниках гораздо легче читать измененное состояние спина, потому что это новое состояние существует намного дольше. «В сверхпроводнике электроны образуют пары, и это свойство имеет решающее значение для поддержания спина в нужной ориентации более длительное время, так что мы могли читать его с помощью электрических токов», – объяснил он. В качестве сверхпроводника использовался свинец, а запись и чтение состояние спина выполнялось с помощью охлажденного до температуры -272°С туннельного микроскопа. Измерения показали, что спин магнитного атома, помещенного на поверхность сверхпроводника, сохраняет свое состояние в 10000 раз дольше, чем при нормальном проводнике. Эти результаты будут способствовать освоению новых методов хранения информации и вычислений на атомном уровне, иными словами, тому, что известно как квантовые вычисления.

Хосе Игнасио Паскуаль из nanoGUNE вместе с исследователями из Free University Берлина разработал метод манипулирования магнетизмом в атомах