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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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.

Наконечник STM управляет кубитами датчика
Наконечник STM управляет кубитами датчика
Автор: Institute for Basic Science Источник: phys.org

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.

Автор: Bing image creator

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.

1 комментарий

a
Вообще-то в научных кругах принят термин «спин электрона», а не «электронный спин».

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

На статуях Терракотовой армии нашли 79 отпечатков пальцев: кто создавал глиняную армию императора

Весной 1974 года крестьяне, копавшие колодец недалеко от китайского города Сиань, наткнулись на твердые обожженные черепки и глиняные головы. Вскоре на это место прибыли археологи. Так начались...

Карболит: куда исчезла знаменитая чёрная пластмасса СССР, из которой делали практически всё

В СССР из карболита делали корпуса радиоприёмников, выключатели, электрические вилки, ручки кастрюль и множество других бытовых вещей. Эти вещи служили десятилетиями и до сих пор встречаются в...

Жёлтые липкие капли появились на листьях комнатного растения: это сок самого цветка или следы незаметного вредителя

На листе фикуса, шеффлеры, гибискуса или другого комнатного растения вдруг появляется прозрачная или желтоватая липкая капля. Иногда таких капель немного, иногда блестящей плёнкой покрываются сразу...

Обзор эргономичного кресла ZONE 51 CORE X-Weave

Рынок игровых кресел долгие годы живет по собственным, почти неизменным законам. «Гоночный» ковш, боковые «уши» и обивка из экокожи, которая через год-два превращается в тряпку, — этот...