№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Древний камень из Намибии поможет создавать квантовые компьютеры

Фото: University of St Andrews

Ученые обещают, что компьютеры, созданные благодаря такому камню, будут сверхмощными.

Один из способов, с помощью которых мы можем полностью реализовать потенциал квантовых компьютеров, заключается в том, чтобы они основывались как на материи, так и на свете. Так информация будет не только храниться и обрабатываться, но и перемещаться со скоростью света.

Ученые только что приблизились к этой цели, успешно создав самые крупные в истории гибридные частицы со свойствами света и материи. Эти квазичастицы, известные как поляритоны Ридберга, были созданы с помощью камня, содержащего кристаллы закиси меди (Cu₂O) из древнего месторождения в Намибии – одного из немногих мест в мире, где была обнаружена закись меди качества драгоценных камней.

Кристалл, извлеченный из камня, отполировали и утончили до толщины человеческого волоса. После его поместили между двумя зеркалами для улавливания света, в результате чего поляритоны Ридберга оказались в 100 раз больше, чем любые ранее наблюдаемые.

Это достижение приближает науку к созданию квантового симулятора, который сможет запускать эти ридберговские поляритоны, используя квантовые биты или кубиты для хранения информации в виде нулей, единиц и нескольких промежуточных значений, а не только единиц и нулей классических вычислительных битов.

«Создание квантового симулятора с помощью света – это святой Грааль науки. Мы сделали огромный шаг к этому, создав поляритоны Ридберга», – Хамид Охади, соавтор исследования из Университета Сент-Эндрюс в Великобритании.

Что делает поляритоны Ридберга такими особенными?

То, что они постоянно «переключаются» со света на материю и обратно. Исследователи сравнивают свет и материю с двумя сторонами одной медали, и именно на стороне материи поляритоны могут взаимодействовать друг с другом.

Это важно, потому что легкие частицы света движутся быстро, но не взаимодействуют друг с другом. Материя медленнее, но она способна взаимодействовать с другими частицами. Объединение этих двух возможностей поможет раскрыть потенциал квантовых компьютеров.

Такая гибкость имеет решающее значение для управления квантовыми состояниями. Полностью функционирующий квантовый компьютер, построенный на этой технологии, еще далеко, но сейчас мы ближе, чем когда-либо прежде, к тому, чтобы собрать его воедино.

Ридберговские поляритоны образуются в результате взаимодействия экситонов и фотонов. Вот тут-то и пригодился древний драгоценный камень из Намибии: оксид меди – сверхпроводник, материал, который позволяет электронам течь без сопротивления – и предыдущие исследования показали, что он содержит гигантские ридберговские экситоны.

Экситоны – это электрически нейтральные квазичастицы, которые при определенных условиях могут быть вынуждены соединяться с легкими частицами. Эти большие экситоны, найденные в закиси меди, могут быть связаны с фотонами в специальной установке, известной как микрорезонатор Фабри-Перо – по сути, зеркальный «бутерброд». Это было ключевым элементом в возможности создания более крупных поляритонов Ридберга.

«Приобрести камень на eBay было легко. Задача заключалась в том, чтобы создать ридберговские поляритоны, существующие в чрезвычайно узком цветовом диапазоне», – говорит физик Сай Киран Раджендран из Университета Сент-Эндрюс.

Когда можно будет собрать полноценные квантовые компьютеры – возможно, с использованием этих ридберговских поляритонов – экспоненциальный рост вычислительной мощности позволит им выполнять чрезвычайно сложные вычисления, выходящие за рамки возможностей современных компьютеров, пишут исследователи. 

Интересный факт: квантовая спиновая жидкость

В 1973 году физик Филип В. Андерсон выдвинул теорию о существовании нового состояния материи, которое дало бы весомое преимущество в гонке за сверхбыстрыми квантовыми компьютерами.

Это состояние получило название квантовая спиновая жидкость. Правда, к жидкости она на самом деле не имеет никакого отношения. Так состояние материи назвали из-за магнитов, которые никогда не замерзают, и того, как в них вращаются электроны.

В обычных магнитах, когда температура падает ниже определенной отметки, электроны стабилизируются и образуют твердую материю с магнитными свойствами. В квантовой спиновой жидкости электроны не стабилизируются при охлаждении, не превращаются в твердое тело и постоянно изменяются и флуктуируют (как жидкость) в одном из самых запутанных квантовых состояний, когда-либо обнаруженных учеными.

Особые свойства квантовых спиновых жидкостей позволяют найти многообещающие применения этому состоянию материи, в том числе в высокотемпературных сверхпроводниках и квантовых компьютерах. Недавно группа физиков из Гарварда экспериментально задокументировала это долгожданное экзотическое состояние материи.