Ученые установили новый рекорд, запутав 219 ионов, пойманных в кантовой ловушке

Ученые-физики из американского Национального института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) сумели заманить в ловушку из сильных электрических и магнитных полей 219 ионов бериллия и запутать их свойства на квантовой уровне при помощи лазерного света. Некоторые другие приемы, использованные учеными, позволили считывать и управлять квантовой информацией, содержащейся в этих ионах. Все это превратило данную группу ионов в своего рода квантовый симулятор, в недрах которого можно производить квантовые вычисления, недоступные для расчетов на обычных компьютерах.

Квантовая запутанность - это "призрачное" явление, которое связывает квантовые характеристики и состояния частиц, которые может разделять сколь угодно большое расстояние. Любое воздействие, оказываемое на одну из запутанных частиц, моментально проявляется и по отношению к другим запутанным частицам. Ученым уже удавалось запутать на квантовом уровне одновременно сотни тысяч фотонов света и тысячи нейтральных атомов. Но данный случай является абсолютным рекордом по количеству одновременно запутанных ионов.

Возможность получения запутанных ионов в больших количествах имеет огромное значение для области квантовых вычислений, при помощи которых можно решать тяжелые задачи определенного рода, которые непосильны даже для самых мощных суперкомпьютеров. Каждый из ионов выступает в качестве отдельного квантового бита (кубита) и группы из 10-20 кубитов совсем недостаточно для выполнения сложных квантовых алгоритмов.

Вместо того, чтобы ловить ионы в ловушку по одному, ученые использовали инструмент, который называется ловушка Пеннинга. Эта ловушка, изобретенная в 1959 году, позволяет уловить и удерживать большое количество атомов или ионов, предоставляя возможности измерения квантовых характеристик каждого отдельно взятого иона. Основу ловушки Пеннинга составляет "сетка" сильных электрических и магнитных полей, под воздействием которых ионы формируют нечто вроде двухмерного кристалла.

Как только ученым удалось "загнать" в ловушку необходимое им количество ионов, они использовали лазеры для того, чтобы охладить их почти до температуры абсолютного нуля. Пара дополнительных лазеров позволила "раздеть" нейтральные атомы, лишив их нескольких электронов, находящихся на верхнем электронном слое, превратив эти нейтральные атомы в положительно заряженные ионы. Кроме этого, свет дополнительных лазеров позволил выровнять направления вращения ионов, спин, и запутать эти ионы на квантовом уровне.

Большую роль в данном достижении сыграла уникальная конструкция ловушки Пеннинга, разработанная специалистами института NIST. Эта ловушка предоставляет ученым возможность считывания квантового состояния каждого отдельного иона, кроме этого, она позволяет управлять квантовым состоянием "ионного кристалла" в целом.

Следует отметить, что данная технология будет использоваться в дальнейшем для моделирования поведения ионов некоторых магнитных материалов, которые запутываются друг с другом при определенных условиях естественным путем. И такие необычные материалы могут указать ученым на новое состояние материи, которое пока неизвестно ученым, а изучение этого состояния может привести к открытиям в области высокотемпературной сверхпроводимости и в других областях, которые могут оказать огромное влияние на развитие современной науки и техники.

Следующим шагом, который намерены сделать ученые NIST, станет реализация метода прямого контроля квантового состояния каждого отдельного иона. Если им удастся реализовать это, они получат в свое распоряжение истинный квантовый компьютер, "процессор" которого состоит из 200 запутанных кубитов. При таком количестве кубитов компьютер сможет выполнять очень и очень сложные квантовые алгоритмы, значительно опережая при этом любые другие существующие компьютеры.

Источник: www.dailytechinfo.org

Комментарии: