Inseparabilitatea cuantică — cândva descrisă de Albert Einstein drept „acțiune înfricoșătoare la distanță” — a captivat de mult timp imaginația publicului și i-a nedumerit chiar și pe oamenii de știință experimentați.
Însă pentru practicienii din domeniul cuantic de astăzi, realitatea este mult mai banală: inseparabilitatea cuantică
Deși aceste dispozitive sunt încă la început, inseparabilitatea cuantică este ceea ce le va permite să facă lucruri pe care computerele clasice nu le pot face, cum ar fi o simulare mai bună a sistemelor cuantice naturale precum moleculele, produsele farmaceutice sau catalizatorii.
Într-o nouă cercetare, eu și colegii mei am demonstrat existența unei inseparabilități cuantice între două nuclee atomice separate de aproximativ 20 de nanometri.
Poate că nu pare mare lucru, dar metoda pe care am folosit-o este o descoperire practică și conceptuală care ar putea ajuta la construirea de computere cuantice folosind unul dintre cele mai precise și fiabile sisteme de stocare a informațiilor cuantice.
Provocarea cu care se confruntă inginerii de calculatoare cuantice este să echilibreze două nevoi opuse.
Elementele fragile de calcul trebuie protejate de interferențe și factori perturbatori externi sau „zgomote”. Dar, în același timp, trebuie să existe o modalitate de a interacționa cu ele pentru a efectua calcule.
De aceea există atât de multe tipuri diferite de hardware care încă se află în cursa pentru a fi primul computer cuantic funcțional.
Unele tipuri sunt foarte bune pentru efectuarea de operații rapide, dar sunt afectate de „zgomot”. Altele sunt bine protejate de „zgomot”, dar sunt dificil de operat și de scalat.
Echipa mea a lucrat la o platformă care – până astăzi – ar putea fi plasată în a doua tabără. Am implantat atomi de fosfor în cipuri de siliciu și am folosit spinul nucleelor atomilor pentru a codifica informații cuantice.
Pentru a construi un computer cuantic util, va trebui să lucrăm cu mai multe nuclee atomice în același timp. Până acum, singura modalitate de a lucra cu mai multe nuclee atomice era să le plasăm foarte aproape unul de celălalt în interiorul unui solid, unde puteau fi înconjurate de un singur electron.
De obicei, ne gândim la un electron ca fiind mult mai mic decât nucleul unui atom. Cu toate acestea, fizica cuantică ne spune că electronul se poate „răspândi” în spațiu, deci poate interacționa cu mai multe nuclee atomice în același timp.
Chiar și așa, raza de acțiune în care se poate răspândi un singur electron este destul de limitată. Mai mult, adăugarea mai multor nuclee aceluiași electron face foarte dificil controlul fiecărui nucleu individual.
Am putea spune că, până acum, nucleele erau ca niște oameni plasați în camere izolate fonic. Pot vorbi între ei atâta timp cât se află cu toții în aceeași cameră, iar conversațiile sunt foarte clare.
Cu toate acestea, nu pot auzi nimic din exterior, iar numărul de oameni care pot încăpea în cameră este limitat. Prin urmare, acest mod de conversație nu poate fi extins.
În noua noastră lucrare, este ca și cum am oferit oamenilor telefoane pentru a comunica cu alți oameni din alte camere. Fiecare cameră este încă plăcută și liniștită în interior, dar acum avem conversații între mult mai mulți oameni, chiar dacă sunt departe unii de alţii.
O reprezentare artistică a două nuclee atomice inseparabile cuantic prin intermediul electronilor și a „porţii geometrice”. Credit: Tony Melov / UNSW Sydney
„Telefoanele” sunt electronii. Prin capacitatea lor de a se răspândi în spațiu, doi electroni se pot „atinge” reciproc la o anumită distanță.
Dacă fiecare electron este cuplat direct la un nucleu atomic, atunci nucleele pot comunica prin interacțiunea dintre electroni.
Am folosit canalul de electroni pentru a crea o inseparabilitate cuantică între nuclee prin intermediul unei metode numită „poarta geometrică”, pe care am folosit-o acum câțiva ani pentru a efectua operații cuantice de înaltă precizie cu atomi din siliciu.
Acum – pentru prima dată în domeniul siliciului – am arătat că această metodă poate fi extinsă dincolo de perechile de nuclee atașate aceluiași electron.
Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory
În experimentul nostru, nucleele de fosfor au fost separate de 20 de nanometri. Aceasta este o distanță mică: există mai puțin de 40 de atomi de siliciu între cele două nuclee de fosfor.
Aceasta este și scara la care sunt fabricate tranzistoarele din siliciu de zi cu zi.
Crearea inseparabilității cuantice la scara de 20 de nanometri înseamnă că putem integra qubiții noștri de spin nuclear, bine protejați și cu durată lungă de viață, în arhitectura existentă a cipurilor de siliciu standard, precum cele din telefoanele și computerele noastre.
În viitor, preconizăm să extindem distanța de inseparabilitate și mai mult, deoarece electronii pot fi mișcați fizic sau comprimați în forme mai alungite.
Cea mai recentă descoperire a noastră înseamnă că progresul înregistrat în domeniul dispozitivelor cuantice bazate pe electroni poate fi aplicat la construirea de computere cuantice care utilizează spini nucleari cu durată lungă de viață pentru a efectua calcule fiabile.
Traducere după New entanglement breakthrough links cores of atoms, brings quantum computers closer
Comentariu Facebook