Новое состояние Иттербия (Yb) – путь к квантовому компьютеру
 Лазерное излучение, образующее стоячие волны по трем пространственным осям, фиксирует отдельные атомы иттербия. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Главное преимущество квантового компьютера по сравнению с обычным в том, что он работает по специфическим алгоритмам, применяя эффекты квантовой механики для решения математических задач. На данный момент разработано множество квантовых алгоритмов, решающих определенные уравнения и задачи, в том числе задачу о разложении произвольного числа на простые сомножители (внимание к этой задаче обусловлено ее применением для расшифровки криптограмм, зашифрованных при помощи алгоритма RSA). Логической единицей в квантовом компьютере является так называемый «кубит» – квантовый бит, способный принимать 2 значения (находится в двух состояниях).
К сожалению, на данный момент квантовый компьютер является лишь математической абстракцией, но физика конденсированного состояния не оставляет попыток найти технологию его практической реализации.
Для создания идеального квантового компьютера (как и для реализации точных квантовых часов) необходима система, которая будет состоять из множества независимых кубитов, т.е. из множества изолированных друг от друга систем, имеющих два энергетических уровня с большими временами когерентности. В случае квантового компьютера эти биты должны быть адресуемы (т.е. локализованы в пространстве); более того, необходим механизм осуществления попарного взаимодействия кубитов для проведения вычислительных операций.
Очевидно, что наилучшим кандидатом для создания квантового компьютера является вещество при низких температурах. Однако, перечисленные выше условия делают не подходящим для практической реализации набора кубитов даже конденсат Бозе-Эйнштейна – агрегатное состояние вещества, охлажденного до температур, близких к абсолютному нулю. В конденсате Бозе-Эйнштейна большая часть атомов находится в наименьших энергетических состояниях, поэтому многие квантовые эффекты проявляются уже не на микро-, а на макроуровне. Свойства этого состояния еще не до конца исследованы, однако, известно, что даже в этом случае отдельные атомы конденсата делокализованы, что автоматически делает его не подходящим для реализации квантового компьютера.
Однако, это не означает, что квантовые компьютеры не возможно реализовать на практике. Несколько лет назад было предположено существование состояний, в которых ультрахолодные атомы располагаются в виде некой статической конфигурации, являясь, таким образом, адресуемыми. При этом атомы испытывают только локальные взаимодействия. После перевода вещества в это состояние (переход осуществляеется при помощи трех пар направленных друг на друга лазеров, по каждой из пространственных осей), каждый отдельный атом «застревает» в узлах решетки и может рассматриваться как «кубит».
Ранее большая часть экспериментов в этой области проводилась с элементами, имеющими 1 электрон на внешней электронной оболочке (щелочными металлами). Однако, с точки зрения создания квантового компьютера, щелочные металлы являются наименее удачными, т.к. эти атомы подвержены значительному влиянию магнитных сил, что приводит к нарушению условия большого времени когерентности. Атомы с двумя электронами на внешнем уровне (например, гелий или иттербий) для этих целей более пригодны, т.к. противоположные магнитные моменты внешних электронов компенсируют друг друга. В итоге возможно метастабильное состояние со временем жизни порядка 100 секунд.
В своей работе, опубликованной в Physical Review A, японские ученые продемонстрировали переход иттербия в описанное изолированное состояние при помощи трех взаимно перпендикулярных лазерных лучей, образующих стоячие волны. Созданная таким образом оптическая решетка создает простой пространственный потенциал для размещения атомов. Искомое состояние с хорошо изолированными атомами наблюдается при достаточно высоких потенциалах решетки. При этом правильный подбор частот лазеров позволяет управлять взаимодействиями между кубитами.
Требования к веществу для создания квантового компьютера во многом совпадают с требованиями для формирования точных квантовых часов, поэтому иттербий также является отличным кандидатом и на решение этой задачи.
Также по теме:
Источники: