В квантовых компьютерах многие видят будущее вычислительной техники. И правда, их возможности поражают воображение: они способны справляться с задачами, которые оказываются не по силам даже самым мощным современным системам. Ученым из Рочестерского университета удалось сделать важный шаг к созданию таких машин, впервые экспериментально подтвердив существование особого квантового явления – “темного состояния” атомных ядер.
Но обо всём по порядку. На пути развития квантовых технологий стоит серьезное препятствие. Они чрезвычайно чувствительны к любым внешним воздействиям: электромагнитным полям, колебаниям температуры, механическим вибрациям. Все эти факторы создают так называемый “шум”, который разрушает хрупкие квантовые состояния и приводит к ошибкам в вычислениях. Без решения проблемы стабильности невозможно создать надежно работающий компьютер будущего.
Теоретики давно предполагали, что существует особое состояние атомных ядер, способное защитить квантовую систему от внешних помех. Его и назвали “темным состоянием”, потому что в нем ядра словно становятся невидимыми для окружающего мира. Однако десятилетиями это было всего лишь гипотезой, которую никому не удавалось доказать в лаборатории.
Исследователи под руководством Джона Никола, доцента кафедры физики и астрономии Рочестерского университета, решили использовать для поиска темного состояния квантовые точки. Это крошечные полупроводниковые структуры размером всего в несколько нанометров, способные захватывать отдельные электроны. Спин электрона – его собственный момент импульса, который можно представить как микроскопический волчок, может принимать только два положения. И это свойство можно адаптировать для хранения информации, подобно тому как обычные компьютеры используют нули и единицы.
Но что же такое “темное состояние” и как оно помогает стабилизировать квантовую систему? В обычных условиях спины ядер окружающих атомов хаотически меняют свое направление. Они создают переменное магнитное поле, которое мешает спину электрона сохранять заданное положение. В “темном состоянии” спины ядер выстраиваются особым образом и синхронизируются между собой так, что их влияние на электрон взаимно компенсируется.
Для создания “темного состояния” исследователи применили метод динамической ядерной поляризации. С помощью точно настроенных электромагнитных импульсов они заставили ядерные спины выстроиться в определенном порядке, подобно тому как магнит выстраивает железные опилки вдоль силовых линий. Измерения показали, что в этом состоянии взаимодействие между спинами электронов и ядер действительно резко ослабевает.
Особую ценность работе придает то, что эксперимент проводился с кремниевыми квантовыми точками. Кремний – основа современной электроники, технологии его обработки отточены до совершенства. Использование уже существующей производственной базы может значительно ускорить внедрение новой технологии.
Темное состояние открывает широкие перспективы не только для квантовых вычислений. Высокая стабильность этого явления позволяет использовать его для долговременного хранения квантовой информации. Кроме того, чувствительность спиновых систем к внешним воздействиям может помочь в создании сверхточных датчиков магнитного поля, температуры и давления.
В медицине такие датчики позволят улучшить качество магнитно-резонансной томографии и получать более четкие изображения внутренних органов. В навигации они обеспечат более точное определение положения в пространстве, что важно для беспилотного транспорта и роботов.
“Прямое подтверждение существования темного состояния и его свойств не только подтверждает десятилетия теоретических предсказаний, но и открывает путь к созданию более совершенных квантовых систем”, – отмечает профессор Никол. Похоже, физики нашли способ превратить квантовый “шум” в квантовую тишину, необходимую для работы компьютеров будущего.