Жаңа Оңтүстік Уэльс университетінің (UNSW) инженерлері кванттық есептеулер саласында маңызды жетістікке қол жеткізді — олар «кванттық шатасқан күйлерді» жасай алды. Бұл күйлерде екі бөлек бөлшек бір-бірімен соншалықты тығыз байланысады, енді олар тәуелсіз әрекет етпейді. Ғалымдар бұл үшін екі атом ядросының спиндерін пайдаланды, бұл кванттық компьютерлердің дәстүрлі компьютерлерге қарағанда артықшылығын қамтамасыз ететін негізгі ресурс болып табылады.

18 қыркүйекте Science журналында жарияланған зерттеу ауқымды кванттық компьютерлерді құру жолындағы маңызды қадам болды — бұл XXI ғасырдың ең өршіл ғылыми және технологиялық мақсаттарының бірі. Бұл жетістік болашақта кванттық есептеулерге арналған микросхемаларды қазіргі технологиялар мен өндірістік процестерді пайдалана отырып жасауға мүмкіндік береді. Жетекші автордың айтуынша, команда ең таза және оқшауланған кванттық объектілерді дәл қазіргі кремнийлі электрондық құрылғылар өндірісіндегі масштабта өзара әрекеттестіре алды.

Оқшаулау мен өзара әрекеттесу арасындағы тепе-теңдік

Кванттық компьютер инженерлері үшін басты міндет — есептеу элементтерін сыртқы кедергілер мен шудан қорғау мен олардың өзара әрекеттесу қажеттілігі арасында тепе-теңдік табу. Сондықтан да алғашқы жұмыс істейтін кванттық компьютер атағына түрлі аппараттық платформалар таласуда: кейбіреулері жылдам жұмыс істейді, бірақ шуға сезімтал, ал басқалары жақсы қорғалған, бірақ оларды ауқымды ету қиын. UNSW командасы бұрын екінші санатқа жататын платформаны таңдады — олар кремний пластинасына енгізілген фосфор атомдарының ядролық спиндерін кванттық ақпаратты кодтау үшін пайдаланды.

UNSW Электротехника және телекоммуникация мектебінің профессоры Андреа Морелло: «Атом ядросының спині — қатты денедегі ең таза және оқшауланған кванттық объект», — дейді. Соңғы 15 жылда топ бұл технологияны кванттық есептеулер жарысында нақты үміткерге айналдырған барлық негізгі жетістіктерге қол жеткізді. Кванттық ақпаратты 30 секундтан астам сақтауға болатыны — бұл кванттық әлем үшін өте ұзақ уақыт — және логикалық операцияларды 1%-дан төмен қателікпен орындауға болатыны көрсетілді. Алайда, атом ядроларының жоғары оқшаулануы оларды ауқымды кванттық процессорға біріктіруді қиындатады.

Ауқымдаудың жаңа тәсілі

Жақындаға дейін бірнеше атом ядросын басқарудың жалғыз жолы — оларды қатты дене ішінде өте жақын орналастырып, бір электронмен байланыстыру болатын. Электрон кеңістікте «таралып», бірнеше ядромен әрекеттесе алады, бірақ бұл қашықтық шектеулі. Сонымен қатар, бір электронға бірнеше ядроны қосу әр ядроны жеке басқаруды қиындатады.

Зерттеуші бұл жағдайды былайша сипаттайды: «Бұрын ядролар дыбыс оқшауланған бөлмедегі адамдар сияқты еді — олар бір-бірімен сөйлесе алады, бірақ сырттан ештеңе естімейді, ал бөлмеге тек шектеулі адам сыяды. Мұндай байланыс тәсілі ауқымдалмайды». Жаңа жетістік арқасында енді «адамдардың» басқа бөлмелермен байланысуға арналған телефондары бар, ал бұл «телефондардың» рөлін электрондар атқарады.

Субатомдық деңгейде екі электрон кеңістікте таралу қабілетінің арқасында бір-бірімен едәуір қашықтықта «жанаса» алады. Егер әр электрон тікелей атом ядросымен байланысса, ядролар осы электрондық өзара әрекеттесу арқылы бір-бірімен байланыса алады.

Эксперимент ауқымы мен болашағы

Экспериментте ядролар арасындағы қашықтық шамамен 20 нанометр болды — бұл адам шашының енімен салыстырғанда мың есе кіші. Егер әр ядроны адам өлшеміне дейін үлкейтсек, олардың арасы Сидней мен Бостон арасындағы қашықтыққа тең болар еді. Мұндай масштаб қазіргі заманғы кремний микросхемаларының өлшеміне сәйкес келеді, олар жеке компьютерлер мен ұялы телефондарда қолданылады. Зерттеушілердің айтуынша, сіздің құрылғыларыңыздағы миллиардтаған кремний транзисторларының өлшемі шамамен 20 нанометр. Бұл — нағыз технологиялық серпіліс: ең таза және оқшауланған кванттық объектілерді қазіргі электрондық құрылғылармен бірдей масштабта өзара әрекеттестіруге қол жеткізілді. Бұл жартылай өткізгіш өнеркәсібіне арналған өндірістік процестерді атом ядросының спиндеріне негізделген кванттық компьютерлер жасауға бейімдеуге болатынын білдіреді.

Технологиялық үйлесімділік және болашақ

Эксперименттердің ерекше сипатына қарамастан, зерттеушілер бұл құрылғылардың қазіргі компьютерлік чиптер өндірісінің технологияларымен үйлесімді екенін атап өтеді. Фосфор атомдары Жапониядағы Кейо университеті ұсынған аса таза кремний арқылы чипке енгізілді, ал чиптің өзін Мельбурн университетінің командасы жасады.

Атом ядроларын бір электронмен байланыстыру қажеттілігін жойған UNSW командасы кремний негізіндегі атом ядролық кванттық компьютерлерді ауқымдаудағы басты кедергіні еңсерді. Профессор Мореллоның айтуынша, олардың әдісі өте сенімді және ауқымды. Қазіргі экспериментте бар болғаны екі электрон қолданылды, бірақ болашақта көбірек электрон қосып, оларды созылған формаға келтіруге болады, бұл ядролар арасындағы қашықтықты одан әрі арттырады. Электрондарды оңай жылжытып, «топтастырып» қажетті формаға келтіруге болады, бұл өзара әрекеттесуді жылдам әрі дәл қосып-өшіруге мүмкіндік береді — бұл ауқымды кванттық компьютер үшін аса маңызды.