Как создать квантовые биты из магнитных атомов: новый подход к квантовой информатике

Использование квантовых систем для вычислений и обработки информации — это одно из самых захватывающих и перспективных направлений в современной науке, которое открывает новые возможности для решения сложных задач, недостижимых для обычных компьютеров. Но для того, чтобы воплотить эти возможности в реальность, необходимо справиться с большим технологическим вызовом — создать квантовые устройства, которые будут стабильными и масштабируемыми, а также обеспечить высокую точность и контроль над их состояниями на уровне отдельных атомов. Именно такой подход был реализован исследователями из Центра квантовой нанонауки (QNS) при Университете Эхва в Южной Корее в сотрудничестве с коллегами из Японии, Испании и США. Они создали новую платформу для квантовых битов (кубитов) — основных единиц квантовой информации — на основе отдельных магнитных атомов, размещенных на поверхности тонкого изолятора. Это прорывное достижение было опубликовано в журнале Science.

Кубиты — это квантовые версии обычных битов, которые могут принимать не только два значения (0 или 1), но и любую комбинацию этих значений. Кроме того, кубиты могут быть связаны друг с другом, то есть оказывать влияние друг на друга даже на значительном расстоянии. Эти свойства дают кубитам преимущество в кодировании и обработке информации по сравнению с классическими битами, особенно для некоторых сложных задач, таких как разложение больших чисел на множители, поиск в огромных базах данных или имитация квантовых систем. Однако для реализации этих возможностей необходимо иметь достаточное количество кубитов, которые можно индивидуально управлять и считывать, а также связывать друг с другом для выполнения логических операций.

Существует множество способов реализации кубитов на различных физических системах, таких как фотоны, ионы, атомы, сверхпроводники и т. д. Однако большинство из них имеют свои ограничения по точности, стабильности, масштабируемости или совместимости с другими технологиями. Исследователи из QNS предложили новый подход, основанный на электронном спине — квантовом свойстве электрона, связанном с его магнитным моментом. Электронный спин может служить носителем квантовой информации, если его можно изолировать от внешних воздействий и манипулировать им с высокой точностью.

Для этого ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп (STM) — устройство, позволяющее изучать поверхности материалов на атомном уровне. С помощью кончика STM они разместили отдельные магнитные атомы на поверхности тонкого слоя изолятора, создавая таким образом массив кубитов. Затем они применили метод электронного спинового резонанса (ESR-STM) для возбуждения и считывания состояний кубитов с помощью переменного электрического поля, генерируемого кончиком STM. Этот метод позволил им достичь высокой коэрентности кубитов — способности сохранять свои квантовые состояния в течение длительного времени.

В отличие от предыдущих атомных квантовых устройств на поверхностях, где можно было контролировать только один кубит, исследователи из QNS успешно продемонстрировали возможность управления несколькими кубитами одновременно, реализовав одно-, двух- и трехкубитные логические вентили. Они также показали, что можно манипулировать удаленными кубитами, не перемещая кончик STM, открывая тем самым путь к масштабированию до десятков или сотен кубитов в бездефектной среде.

Атомарная точность этой платформы дает уникальные преимущества по сравнению с другими квантовыми платформами, такими как фотонные устройства, ловушки для ионов и атомов или сверхпроводящие устройства. Одно из них — это множество доступных видов спинов и огромное разнообразие двумерных геометрий, которые можно точно собирать. В перспективе, ученые ожидают использовать эти точно собранные атомные архитектуры для квантового сенсинга, вычислений и симуляции. В целом, работа исследователей из QNS ожидается открыть новую эру атомарного контроля в квантовой информатике.

Что такое электронный спин и как он используется в квантовой информатике?

Электронный спин — это квантовое свойство электрона, связанное с его магнитным моментом. Электронный спин может принимать два значения: «вверх» или «вниз», которые соответствуют направлению магнитного поля, создаваемого электроном. Электронный спин может служить носителем квантовой информации, если его можно изолировать от внешних воздействий и манипулировать им с высокой точностью.

В квантовой информатике электронный спин используется для реализации кубитов — квантовых аналогов классических битов, которые могут находиться не только в двух состояниях (0 или 1), но и в любой суперпозиции этих состояний. Кроме того, кубиты могут быть запутаны друг с другом, то есть зависеть друг от друга даже на больших расстояниях. Эти свойства позволяют кубитам кодировать и обрабатывать информацию гораздо эффективнее, чем классические биты, особенно для некоторых сложных задач, таких как факторизация больших чисел, поиск в больших базах данных или моделирование квантовых систем.

Для управления и считывания состояний кубитов на основе электронного спина существуют различные методы, такие как электронный спиновый резонанс (ESR), оптическая инициализация и детекция, магниторезистивное зондирование и т. д. Одним из примеров платформы для кубитов на основе электронного спина является массив отдельных магнитных атомов, размещенных на поверхности тонкого изолятора. С помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM) можно индивидуально управлять и считывать состояния этих атомов с помощью переменного электрического поля, генерируемого кончиком STM. Эта платформа позволяет достичь высокой коэрентности кубитов — способности сохранять свои квантовые состояния в течение длительного времени — и реализовывать одно-, двух- и трехкубитные логические вентили.