Эти молекулы с двумя атомами сделаны из натрия и калия и были охлаждены к температурам только некоторые десять миллионных частей степени выше абсолютного нуля (измеренный в сотнях nanokelvins или nK). Результаты описаны в отчете на этой неделе в Науке, Мартином Цвирлейном, преподавателем MIT физики; парк Jee Woo, бывший аспирант MIT; Себастьян Уилл, бывший исследователь в MIT и теперь доцент в Колумбийском университете, и два других, все в Центре MIT-Гарварда Ультрахолодных Атомов.Много разных подходов изучаются как возможные способы создать кубиты, основные стандартные блоки долго теоретизировавших, но еще полностью реализованных квантовых компьютеров.
Исследователи попытались использовать материалы сверхпроводимости, ионы, проводимые в ловушках иона, или отдельных нейтральных атомах, а также молекулах переменной сложности. Новый подход использует группу очень простых молекул, сделанных всего из двух атомов.
«У молекул есть больше ‘ручек’, чем атомы», говорит Цвирлейн, имея в виду больше способов взаимодействовать друг с другом и с внешними влияниями. «Они могут вибрировать, они могут вращаться, и на самом деле они могут сильно взаимодействовать друг с другом, которого атомам приходится, нелегко делая. Как правило, атомы должны действительно встретить друг друга, быть друг на друге почти, прежде чем они будут видеть, что есть другой атом там, чтобы взаимодействовать с, тогда как молекулы видят друг друга» по относительно большим расстояниям. «Чтобы заставить эти кубиты говорить друг с другом и выполнить вычисления, использование молекул является намного лучшей идеей, чем использование атомов», говорит он.Используя этот вид молекул с двумя атомами для квантовой обработки информации «был предложен некоторое время назад», говорит Парк, «и эта работа демонстрирует первый экспериментальный шаг к пониманию этой новой платформы, которая является той информацией о кванте, может быть сохранен в имеющих два полюса молекулах в течение расширенных времен».
«Самая удивительная вещь состоит в том, что [эти] молекулы – система, которая может позволить понимать и хранение и обрабатывать информации о кванте, используя ту же самую физическую систему», говорит Уилл. «Это – на самом деле довольно редкая особенность, которая не типична вообще среди систем кубита, которые главным образом рассматривают сегодня».В начальных тестах лаборатории доказательства принципа команды несколько тысяч из простых молекул содержались в микроскопической затяжке газа, заманили в ловушку на перекрестке двух лазерных лучей и охладились к ультрахолодным температурам приблизительно 300 nanokelvins. «Больше атомов, которые Вы имеете в молекуле тяжелее, это добирается, чтобы охладить их», говорит Цвирлейн, таким образом, они выбрали эту простую структуру с двумя атомами.
У молекул есть три ключевых особенности: вращение, вибрация и направление вращения ядер двух отдельных атомов. Для этих экспериментов исследователи получили молекулы под прекрасным контролем с точки зрения всех трех особенностей – то есть, в самое низкое состояние вибрации, вращения и ядерного выравнивания вращения.«Мы были в состоянии заманить молекулы в ловушку в течение долгого времени, и также продемонстрировать, что они могут нести информацию о кванте и держаться на нее в течение долгого времени», говорит Цвирлейн. И это, он говорит, является «одним из ключевых прорывов или этапы, которые нужно иметь прежде, чем надеяться построить квантовый компьютер, который является намного более сложным усилием».
Использование молекул калия натрия обеспечивает много преимуществ, говорит Цвирлейн. С одной стороны, «молекула химически стабильна, поэтому если одна из этих молекул встречает другой, они не разбиваются».В контексте квантового вычисления «долгое время», к которому обращается Zwierlein, является одной секундой – который является «на самом деле на заказе в тысячу раз дольше, чем сопоставимый эксперимент, который был сделан», используя вращение, чтобы закодировать кубит, говорит он. «Без дополнительных мер тот эксперимент дал миллисекунду, но это уже было большим». С методом этой команды врожденная стабильность системы означает, что «Вы получаете целую секунду бесплатно».
Это предлагает, хотя остается быть доказанным, что такая система была бы в состоянии выполнить тысячи квантовых вычислений, известных как ворота, в последовательности в течение той секунды после последовательности. Конечные результаты могли тогда быть «прочитаны» оптически через микроскоп, показав конечное состояние молекул.«У нас есть сильные надежды, что мы можем сделать так называемые ворота – это – операция между двумя из этих кубитов, как дополнение, вычитание или такой эквивалент – в части миллисекунды», говорит Цвирлейн. «Если Вы смотрите на отношение, Вы могли бы надеяться сделать 10 000 – 100 000 операций по воротам во время, когда у нас есть последовательность в образце. Это было указано как одно из требований для квантового компьютера, чтобы иметь такое отношение операций по воротам ко временам последовательности».
«Следующая большая цель будет состоять в том, чтобы ‘говорить’ с отдельными молекулами. Тогда мы действительно говорим информация о кванте», говорит Уилл. «Если мы можем заманить одну молекулу в ловушку, мы можем заманить в ловушку два.
И затем мы можем думать об осуществлении ‘квантовой операции по воротам’ – элементарного вычисления – между двумя молекулярными кубитами, которые сидят рядом друг с другом», говорит он.Используя множество, возможно, 1 000 таких молекул, Цвирлейн говорит, позволил бы выполнить вычисления, столь сложные, что никакой существующий компьютер не мог даже начать проверять возможности. Хотя он подчеркивает, что это – все еще ранний шаг и что такие компьютеры могли быть десятилетием или более далеко, в принципе такое устройство могло быстро решить в настоящее время тяжелые проблемы, такие как факторинг очень больших количеств – процесс, трудность которого формирует основание сегодняшних лучших систем шифрования для финансовых операций.
Помимо квантового вычисления, новая система также предлагает потенциал для нового способа выполнить измерения точности и квантовую химию, говорит Цвирлейн.