Сочетание классических и квантовых систем для требований суперкомпьютеров

Одно из самых интересных явлений в квантовой механике - «квантовая запутанность». Это явление описывает, как определенные частицы неразрывно связаны, так что их состояния могут быть описаны 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», 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 (Takahiro Matsumoto) из Городского университета Нагоя, профессора Хидехико Сугимото (Hidehiko Sugimoto) из Университета Тюо, доктора Такаши Охара (Takashi Ohhara) из Японского агентства по атомной энергии и доктора Сусуму Икеда (Susumu Ikeda) из Организации исследования ускорителей высоких энергий, изучая поверхностные спиновые состояния, обнаружила запутанную пару протонов на поверхности нанокристалла кремния.

Проф. 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 было обнаружено только в газовой или жидкой фазах. Теперь мы обнаружили квантовую запутанность на твердой поверхности, которая может заложить основу для будущих квантовых технологий».

Ученые изучали 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 неразличимы, модель осциллятора ограничивала их возможные спиновые состояния, что приводило к сильной запутанности. По сравнению с запутыванием протонов в молекулярном водороде, обнаруженная запутанность содержала огромную разницу энергий между его состояниями, что обеспечивало долговечность и стабильность. Кроме того, ученые теоретически продемонстрировали каскадный переход терагерцовых запутанных пар фотонов с использованием запутанности 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 (106), чем доступно в настоящее время (102), и сверхбыструю обработку для новых суперкомпьютерных приложений. «Квантовые компьютеры могут справляться со сложными задачами, такими как целочисленная факторизация и «задача 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. 

Возможно, мы находимся на пороге технологической революции в квантовых вычислениях!

Квантовая запутанная пара протонов на твердофазной поверхности кремния с концевыми протонами

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365