Historyczny wynik eksperymentu ze splątanymi atomami. Jeszcze nigdy nie były od siebie tak oddalone

1 miesiąc temu 32

Elektrony w roli pośredników. Nowy sposób na kwantową komunikację

Dotychczas splątanie kwantowe, czyli stan, w którym cząstki zachowują się jak połączone, niezależnie od dzielącej je odległości, wymagało bliskiego sąsiedztwa jąder atomowych. Australijski zespół pokonał to ograniczenie, wykorzystując zdolność elektronów do oddziaływania na odległość.

Większość ludzi uważa elektron za najmniejszą cząstkę subatomową, ale fizyka kwantowa mówi nam, że ma on zdolność „rozprzestrzeniania się” w przestrzeni, tak aby mógł oddziaływać z wieloma jądrami atomowymi – wyjaśnia Holly Stemp, główna autorka badania

Czytaj też: Efekt Schwingera wreszcie zaobserwowany w laboratorium. Kanadyjscy fizycy przechytrzyli naturę

Dzięki tej właściwości elektrony mogą “dotykać” się nawzajem nawet z dużej odległości. Jeśli każdy z nich jest związany z innym jądrem atomowym, możliwa staje się komunikacja między jądrami – niemal jak za pośrednictwem kwantowego telefonu. W eksperymencie atomy fosforu oddalone były od siebie o około 20 nanometrów. To zaledwie jedna tysięczna grubości ludzkiego włosa. W mikroświecie chodzi jednak o ogromny dystans.

Gdybyśmy skalowali każde jądro do rozmiaru człowieka, odległość między jądrami byłaby mniej więcej taka sama jak między Sydney a Bostonem! – dodaje Stemp

Co istotne, ta skala jest zgodna z współczesną technologią półprzewodnikową. Miliony tranzystorów w naszych telefonach mają podobne rozmiary.

Parametry techniczne i osiągnięte wyniki

Naukowcom udało się zrealizować dwukubitową operację logiczną pomiędzy jądrami atomów fosforu umieszczonymi w ultra-czystym krzemie. Osiągnęli jądrowy stan Bella – formę splątania kwantowego – z wiernością 76% i zgodnością 0,67. Te wartości mogą na pierwszy rzut oka nie robić wrażenia, lecz w świecie kwantowym, gdzie każda interakcja z otoczeniem zakłóca pomiar, to solidny wynik. Zwłaszcza że wykorzystano spiny jąder atomowych, czyli obiekty uznawane za najstabilniejsze kwantowo w materiałach stałych.

Spin jądra atomowego jest najczystszym, najbardziej odizolowanym obiektem kwantowym, jaki można znaleźć w stanie stałym – wyjaśnia Andrea Morello, kierownik zespołu badawczego

Nowa metoda rozwiązuje kluczowy problem skalowalności komputerów kwantowych. Wcześniej jądra atomowe musiały być bardzo blisko siebie i dzielić wspólny elektron, co ograniczało możliwość budowy większych układów.

Do tej pory jądra były jak ludzie umieszczeni w dźwiękoszczelnym pokoju. Mogą ze sobą rozmawiać, dopóki wszyscy są w tym samym pokoju, ale nie słyszą nic z zewnątrz i tylko tylu ludzi może zmieścić się w pokoju. Dzięki temu przełomowi jest tak, jakbyśmy dali ludziom telefony do komunikowania się z innymi pokojami – obrazuje ten problem Stemp

Elektrony można stosunkowo łatwo przemieszczać i kształtować, co pozwala na precyzyjne kontrolowanie interakcji. W przyszłości planuje się dodanie większej liczby elektronów i nadanie im wydłużonych kształtów dla jeszcze większych odległości.

Perspektywy dla przemysłu półprzewodnikowego

Najważniejszym aspektem tego osiągnięcia jest jego zgodność z obecną technologią. Badacze podkreślają, iż ich metoda może wykorzystać istniejące procesy produkcyjne w przemyśle półprzewodnikowym.

Masz miliardy krzemowych tranzystorów w kieszeni lub torbie właśnie teraz, każdy o rozmiarze około 20 nanometrów. To jest nasz prawdziwy przełom technologiczny: sprawienie, by nasze najczystsze i najbardziej odizolowane obiekty kwantowe rozmawiały ze sobą w tej samej skali co istniejące urządzenia elektroniczne – podsumowuje Stemp

Czytaj też: Zapomnij o wszystkim, co wiedziałeś o elektronach. Odkrycie z Rice University wywraca fizykę do góry nogami

Zespół z UNSW od 15 lat prowadzi pionierskie badania w tej dziedzinie. Wcześniej wykazali, że możliwe jest przechowywanie informacji kwantowej przez ponad 30 sekund. To niebywale długo jak na standardy kwantowe, a dodatkowo fizycy udowodnili, iż możliwe da się prowadzić operacje logiczne z błędem poniżej 1%. Nowa metoda wykorzystująca elektrony jako pośredników otwiera drogę do masowej produkcji mikroprocesorów kwantowych. Być może komputery kwantowe przestaną być jedynie laboratoryjnymi ciekawostkami, a staną się technologią dostępną na szerszą skalę. Osiągnięcie australijskich naukowców pokazuje, że granica między światem klasycznej elektroniki a kwantowej fizyki staje się coraz cieńsza. Elektrony w roli kwantowych łączników mogą być kluczem do praktycznych komputerów kwantowych opartych na krzemie.

Przeczytaj źródło