Ультрахолодные молекулы способны произвести революцию в квантовых вычислениях
Квантовые компьютеры обещают вычисления со скоростью, на фоне которой стандартные устройства покажутся неповоротливыми. Многие эксперименты проводились на ионах, нейтральных атомах или сверхпроводящих цепях, поскольку эти частицы легче поддерживать в стабильном состоянии.
С другой стороны, молекулы считались слишком громоздкими для таких тонких квантовых операций.
В них присутствуют вибрации, вращения и другие сложные движения, которые могут легко нарушить хрупкие квантовые состояния.
Однако доктор Канг-Куэн Ни из Гарвардского университета показал, что эти проблемы могут быть решены с помощью метода, который позволяет удерживать молекулы в ультрахолодной среде.
Ультрахолодные молекулы в квантовых вычислениях
Классические вычисления опираются на двоичные биты (0 или 1).
Квантовые вычисления заменяют эти биты кубитами, которые могут одновременно находиться и в 0, и в 1. Это особое свойство, называемое суперпозицией, позволяет выполнять параллельную обработку данных в масштабах, с которыми не могут справиться обычные компьютеры.
Молекулы имеют дополнительные слои структуры, которые, в принципе, могут расширить масштабы этих вычислений. Однако случайные колебания и вращения усложняют попытки удержать их в четко определенных квантовых состояниях.
94-процентная точность квантовых операций
Исследователи уже много лет совершенствуют двухквантовые затворы.
Один из важных затворов, известный как iSWAP, меняет местами состояния двух кубитов и применяет фазовый сдвиг. Эта комбинация крайне важна для создания запутанности, когда кубиты проявляют корреляции, позволяющие им работать в паре.
Используя молекулы натрия-цезия, команда разработала маршрут, позволяющий осуществлять этот переход с точностью 94 процента.
«Мы пытались сделать это в течение 20 лет», - воскликнул Канг-Куен Ни.
Стабилизация квантовых вычислений
Одна из стратегий укрощения молекул заключается в резком понижении их температуры.
Такой подход замедляет их движение, чтобы точные лазерные ловушки, известные как оптические пинцеты, могли захватить и удержать их на месте.
Когда молекулы остаются неподвижными, квантовые состояния сохраняются дольше, что делает их более надежными для расчетов.
Тщательно выстроенные молекулы можно направить на взаимодействие в определенное время. Такой контроль позволяет избежать нежелательных столкновений или дрожания, которые разрушают суперпозиции и снижают производительность.
Создание новой квантовой экосистемы
Молекулы в ловушках обладают определенными свойствами, которые могут помочь расширить границы вычислений. Некоторые из них обладают диполь-дипольными взаимодействиями, которые представляют собой настраиваемые электрические заряды, способные связывать отдельные кубиты индивидуальными способами.
«Наша работа знаменует собой веху в развитии технологии захваченных молекул и является последним строительным блоком, необходимым для создания молекулярного квантового компьютера», - говорит Энни Парк, постдокторант.
С помощью регулируемых сил ученые смогут создавать ворота, идеально подходящие для решения специализированных задач».
Почему холодные квантовые молекулы имеют значение
Квантовые вычисления прошли долгий путь с момента появления теоретических предложений в 1980-х годах. В ранних демонстрациях использовались ионы в ловушках, что позволило представить идею управления квантовыми состояниями с помощью лазеров в вакууме.
Сверхпроводящие кубиты также привлекли значительное внимание, а такие компании, как Google, продемонстрировали крупномасштабные чипы для демонстрации так называемого квантового превосходства.
От атомов мы перешли к молекулам, и теперь молекулярные кубиты, похоже, догоняют их.
Хотя дополнительные слои движения когда-то казались препятствием, эти скрытые слои могут стать основой для передовых квантовых симуляторов в химии и материаловедении.
Исследователи могут настраивать не только электронные и спиновые состояния, но и вращательные и колебательные режимы, открывая тем самым новые возможности для изучения взаимодействий, имитирующих реальные молекулы.
