Науковці розробили революційний вид молекулярного кубіта, що відкриває нові можливості для взаємодії квантових обчислювальних машин за допомогою вже існуючих телекомунікаційних мереж. Це відкриття закладає фундамент для майбутньої квантової глобальної мережі.
Новостворений квантовий біт містить у своїй основі рідкісноземельний елемент – ербій. Цей метал, що відомий своїми унікальними оптичними та магнітними характеристиками, здатен передавати квантову інформацію, використовуючи ті самі довжини хвиль, що й сучасні оптоволоконні мережі. Ербій – це сріблясто-білий, м’який і ковкий елемент, названий на честь шведського села Іттербю, де було знайдено багато рідкісноземельних мінералів. Його особливі властивості роблять його ідеальним кандидатом для передових технологій.
Оскільки цей кубіт працює на телекомунікаційних довжинах хвиль, його також набагато легше інтегрувати в кремнієві чипи, як зазначають дослідники у своєму повідомленні. Така сумісність може прокласти шлях до створення менших та компактніших квантових пристроїв. Це великий крок до зменшення розмірів обчислювальних систем, адже кремнієві чипи є основою всієї сучасної електроніки, від смартфонів до суперкомп’ютерів.
Команда опублікувала свої висновки 2 жовтня у престижному науковому журналі “Science”. У своїй заяві вони назвали цю технологію “перспективним новим будівельним блоком для масштабованих квантових технологій”, що може застосовуватися від надзахищених комунікаційних каналів до міжміських мереж квантових обчислювальних машин – явищ, які часто називають квантовим інтернетом.
Багато зусиль спрямовано на створення технологій, необхідних для функціонування квантової глобальної мережі. Серед них – новий чип, розроблений у вересні, який допомагає передавати квантові сигнали через реальні оптоволоконні кабелі. У поточному дослідженні науковці зосередилися на розробці принципово нового типу кубіта, здатного ефективно передавати цифрові відомості.
“Демонструючи універсальність цих ербієвих молекулярних квантових бітів, ми робимо ще один крок до створення масштабованих квантових мереж, що можуть безпосередньо підключатися до сучасної оптичної інфраструктури”, – зазначив Девід Ошвалом, провідний дослідник проєкту та професор молекулярної інженерії і фізики в Чиказькому університеті. Університет Чикаго, зокрема Прицкерівська школа молекулярної інженерії, є одним із світових лідерів у галузі квантових досліджень, що просувають межі можливого у цій сфері.
Інакший вид квантового біта
Кубіти є найбазовішою формою квантової інформації, слугуючи квантовим еквівалентом бітів у класичних обчисленнях. Проте на цьому порівняння здебільшого завершується. У той час як класичні біти обробляють інформацію у двійковому вигляді – нулями та одиницями, кубіти функціонують відповідно до дивних правил квантової фізики. Це дозволяє їм існувати у багатьох станах одночасно – властивість, відома як суперпозиція. Суперпозиція – це фундаментальний принцип квантової механіки, згідно з яким квантова система може перебувати в кількох станах одночасно, доки її не виміряють. Отже, пара кубітів може бути 0-0, 0-1, 1-0 та 1-1 одночасно, що значно розширює обчислювальні можливості.
Зазвичай кубіти поділяються на три основні форми: надпровідні квантові біти, створені з крихітних електричних ланцюгів; іонні пастки, що зберігають інформацію в заряджених атомах, утримуваних електромагнітними полями; та фотонні кубіти, що кодують квантові стани в частинках світла.
Молекулярні кубіти використовують окремі молекули, часто побудовані навколо рідкісноземельних металів, де спін електрона визначає їхній квантовий стан. Спін надає електрону мініатюрне магнітне поле, напрямок якого визначає значення квантового біта. Подібно до звичайного біта, він може представляти 1 або 0, але також може перебувати в суперпозиції обох цих станів.
Новий ербієвий кубіт вирізняється тим, що поводиться як спіновий, так і фотонний квантовий біт одночасно. Він може зберігати відомості магнітним шляхом, водночас зчитуючи їх за допомогою оптичних сигналів.
Під час експерименту дослідники продемонстрували, що спін атома ербію можна було помістити у контрольовану суперпозицію – це є визначальною умовою для функціонуючого кубіта. Оскільки спіновий стан впливає на довжину хвилі світла, що випромінює атом, команда змогла зчитувати квантові стани цього кубіта, застосовуючи стандартні методи, такі як оптична спектроскопія. Оптична спектроскопія – це метод вивчення взаємодії світла з речовиною, що дозволяє аналізувати склад і властивості матеріалів на основі їхнього поглинання або випромінювання світла.
“Ці молекули можуть виступати як нанорозмірний міст між світом магнетизму та світом оптики”, – пояснила Леа Вайс, співавторка наукової роботи та докторантка Прицкерівської школи молекулярної інженерії Чиказького університету. “Інформацію можна було б кодувати в магнітному стані молекули, а потім отримувати доступ до неї за допомогою світла на довжинах хвиль, сумісних з добре розвиненими технологіями, що лежать в основі оптоволоконних мереж та кремнієвих фотонних схем”.
Квантові дані на великі відстані
Функціонування на телекомунікаційних довжинах хвиль забезпечує дві суттєві переваги. Перша полягає в тому, що сигнали можуть подолати значні відстані з мінімальними втратами – це надзвичайно важливо для передачі квантових даних через оптоволоконні мережі. Оптоволокно – це сучасний спосіб передачі даних за допомогою світлових імпульсів, що рухаються по тонких скляних або пластикових волокнах.
Друга перевага полягає в тому, що світло на оптоволоконних довжинах хвиль легко проходить крізь кремній. Якби це було не так, будь-які дані, закодовані в оптичному сигналі, поглиналися б і були б втрачені. Оскільки оптичний сигнал може проходити через кремній до детекторів або інших фотонних компонентів, вбудованих під ним, ербієвий квантовий біт ідеально підходить для апаратного забезпечення на основі чипів, як стверджують дослідники.
“Телекомунікаційні довжини хвиль забезпечують найнижчий рівень втрат для світла, що поширюється оптоволоконними кабелями. Це має визначальне значення, якщо ви прагнете надійно передавати інформацію, закодовану в одному фотоні – одній частинці світла, – за межі лабораторії”, – пояснив Ошвалом у листі до видання Live Science.
Масштаб є ще одним позитивним аспектом, додав професор Ошвалом. Кожен кубіт побудований з однієї молекули, що приблизно в 100 000 разів менша за людську волосину. Завдяки можливості налаштування їхньої структури за допомогою синтетичної хімії, молекулярні квантові біти можуть бути інтегровані в середовища, недоступні для інших, – зокрема, у твердотільні пристрої або навіть всередину живих клітин.
Такий рівень контролю здатен допомогти вирішити одне з наймасштабніших інженерних завдань квантових обчислень: вбудовування квантової сумісності безпосередньо в уже наявні технології.
“Інтеграція – це основоположний крок у масштабуванні технології та виняткове завдання у цій галузі”, – підсумував Ошвалом. “Ми працюємо над інтеграцією цих квантових бітів у пристрої на чипах і віримо, що це відкриє нові можливості для контролю, виявлення та зв’язку молекул”.
