Учёные создали первый квантовый кутрит из молекулы в лазерной ловушке

Забудьте о кремниевых чипах — будущие квантовые компьютеры могут быть собраны из отдельных молекул, пойманных в ловушки из света. Это не фантазия, а результат работы двух ведущих научных групп. Физикам впервые удалось не просто удержать молекулы монофторида кальция в лазерных «оптических пинцетах», но и заставить их взаимодействовать, порождая квантовую запутанность. А ведь именно запутанность — тот самый странный, почти мистический эффект — лежит в основе всей мощи квантовых вычислений.

Вы только вдумайтесь: учёные создали прототип квантового устройства на основе трёх возможных состояний — кутрита. Это может стать основой для принципиально новой, небинарной логики. Мы на пороге настоящей революции в том, как мы представляем себе информацию.

Итак, что же произошло? Две независимые команды — из Гарварда и Принстона — практически синхронно объявили о прорыве. Они научились управлять парами молекул с такой точностью, что те демонстрируют квантовую запутанность. «Это открывает дорогу для использования запутанных состояний в массивах молекул, что значительно расширяет их потенциал», — комментирует физик Адам Кауфман. Похоже, молекулы готовы вступить в борьбу за звание идеального кубита.

Ранние квантовые опыты в 90-х использовали целые «супы» из молекул в МРТ-сканерах. С тех пор кандидатов в кубиты стало много: сверхпроводящие схемы, ионы в вакуумных ловушках. А в последние годы на арену вышли нейтральные атомы, которых ловят теми же лазерными пинцетами. Теперь же очередь дошла до молекул. «С ними сложнее работать, — признаёт Лоуренс Чеук из Принстона, — но они предлагают новые, уникальные способы кодирования информации и взаимодействия». Игра стоит свеч.

Очень холодные молекулы

Учёные создали первый квантовый кутрит из молекулы в лазерной ловушке

Как же это выглядит на практике? Учёные создали массивы оптических пинцетов — каждый удерживал единственную молекулу. Затем эти молекулы охладили до немыслимых температур, в десятки микрокельвинов, что чуть выше абсолютного нуля. В такой ледяной тишине молекулы почти замирают. Их вращение можно остановить (состояние «0») или раскрутить ровно на один квант (состояние «1»). Обе команды использовали именно этот принцип для создания своих молекулярных кубитов.

Здесь в игру вступает ключевое свойство монофторида кальция — сильная поляризация. Проще говоря, у этой молекулы есть чётко выраженные «плюс» (со стороны кальция) и «минус» (со стороны фтора). Учёные заставили молекулы «чувствовать» электрические полюса друг друга на расстоянии. «Дипольное взаимодействие даёт нам дополнительную степень свободы для настройки», — объясняет Джон Дойл из Гарварда. И эта настройка привела к главному: исследователям удалось наблюдать квантовую запутанность между молекулами, создав основу для будущих квантовых алгоритмов.

Трехзначная логика

Молекулярные компьютеры, вероятно, будут не самыми быстрыми. Но у них есть другой, фантастический козырь. Молекулы — идеальная платформа для работы с кутритами. В отличие от кубита (0 или 1), кутрит может находиться в трёх состояниях: -1, 0 или +1. Это открывает двери для моделирования невероятно сложных систем — от новых материалов до фундаментальных законов физики, которые не умещаются в двоичную логику. Чем не новый язык для диалога со Вселенной?

Но и это не всё. Дойл отмечает, что такие технологии могут помочь в сверхточных измерениях, способных выявить следы неизвестных науке элементарных частиц.

«Эта работа подчёркивает головокружительную скорость развития области, — восхищается физик Ханна Уильямс. — Достижение доказывает: молекулы станут конкурентоспособной платформой для квантового моделирования». Похоже, команда молекулярных кубитов только что вышла на игровое поле, и её амбиции простираются далеко за пределы обычных вычислений.