Вы, без сомнения, просматриваете эту статью на цифровом устройстве, основной единицей информации которого является бит, либо 0, либо 1. Ученые всего мира стремятся разработать новый тип компьютера, основанный на использовании квантовых битов, или кубитов.

В недавней статье Nature команда, возглавляемая Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE), объявила о создании новой кубитной платформы, сформированной путем замораживания неонового газа в твердое вещество при очень низких температурах, распыления электронов из нити накаливания лампочки на твердое вещество и захвата одного электрон там. Эта система демонстрирует большие перспективы для превращения в идеальные строительные блоки для будущих квантовых компьютеров.

Для создания полезного квантового компьютера требования к качеству кубитов чрезвычайно высоки. Хотя сегодня существуют различные формы кубитов, ни одна из них не идеальна.

Из чего бы получился идеальный кубит? По словам Дафей Джин, ученого из Аргонны и главного исследователя проекта, он обладает по крайней мере тремя превосходными качествами.

Он может оставаться в одновременном состоянии 0 и 1 (помните кошку!) в течение длительного времени. Ученые называют это длительное время "когерентностью". В идеале это время должно составлять около секунды, временной шаг, который мы можем воспринимать по домашним часам в нашей повседневной жизни.

Во-вторых, кубит может быть переведен из одного состояния в другое за короткое время. В идеале это время должно составлять около миллиардной доли секунды (наносекунды), что соответствует временному шагу классических компьютерных часов.

В-третьих, кубит может быть легко связан со многими другими кубитами, чтобы они могли работать параллельно друг с другом. Ученые называют эту связь запутанностью.

Хотя в настоящее время хорошо известные кубиты не идеальны, такие компании, как IBM, Intel, Google, Honeywell и многие стартапы выбрали свои любимые. Они настойчиво стремятся к технологическому совершенствованию и коммерциализации.

"Наша амбициозная цель - не конкурировать с этими компаниями, а открыть и сконструировать принципиально новую систему кубитов, которая могла бы привести к созданию идеальной платформы", - сказал Джин.

Хотя существует множество вариантов типов кубитов, команда выбрала самый простой - один электрон. Нагрев простой световой нити, которую вы можете найти в детской игрушке, может легко высвободить безграничный запас электронов.

Одна из проблем для любого кубита, включая электрон, заключается в том, что он очень чувствителен к возмущениям из своего окружения. Таким образом, команда решила задержать электрон на сверхчистой твердой неоновой поверхности в вакууме.

Неон - один из немногих инертных элементов, которые не вступают в реакцию с другими элементами. "Из-за этой инертности твердый неон может служить максимально чистым твердым веществом в вакууме для размещения и защиты любых кубитов от разрушения", - сказал Джин.

Ключевым компонентом платформы qubit, разработанной командой, является микроволновый резонатор в масштабе чипа, изготовленный из сверхпроводника. (Гораздо большая домашняя микроволновая печь также является микроволновым резонатором.) Сверхпроводники - металлы, не обладающие электрическим сопротивлением, - позволяют электронам и фотонам взаимодействовать друг с другом при температуре, близкой к абсолютному нулю, с минимальными потерями энергии или информации.

"Микроволновый резонатор в решающей степени обеспечивает способ считывания состояния кубита", - сказала Кэтер Марч, профессор физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе и старший соавтор статьи. "Он концентрирует взаимодействие между кубитом и микроволновым сигналом. Это позволяет нам проводить измерения, показывающие, насколько хорошо работает кубит".

"С помощью этой платформы мы впервые добились сильной связи между одним электроном в среде, близкой к вакууму, и одним микроволновым фотоном в резонаторе", - сказал Сяньцзин Чжоу, аспирант Аргоннского университета и первый автор статьи. ? "Это открывает возможность использовать микроволновые фотоны для управления каждым электронным кубитом и связывать многие из них в квантовом процессоре", - добавил Чжоу.

Команда протестировала платформу в научном приборе, называемом холодильником для разбавления, который может достигать температуры всего в 10 миллиградусах выше абсолютного нуля. Этот прибор является одним из многих квантовых устройств в Центре наноразмерных материалов Аргонна, пользовательском центре Министерства науки США.

Команда выполнила операции в реальном времени с электронным кубитом и охарактеризовала его квантовые свойства. Эти тесты показали, что твердый неон обеспечивает надежную среду для электрона с очень низким электрическим шумом, который может его беспокоить. Самое главное, что кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурирующем с самыми современными кубитами.

"Наши кубиты на самом деле не уступают тем, которые люди разрабатывали в течение 20 лет", - сказал Дэвид Шустер, профессор физики Чикагского университета и старший соавтор статьи. "Это только наша первая серия экспериментов. Наша платформа qubit и близко не оптимизирована. Мы продолжим улучшать время согласования. И поскольку скорость работы этой кубитной платформы чрезвычайно высока, всего несколько наносекунд, обещание масштабировать ее до множества запутанных кубитов является значительным ".

У этой замечательной платформы qubit есть еще одно преимущество. "Благодаря относительной простоте платформы electron-on-neon ее должно быть легко изготовить при низких затратах", - сказал Джин. "Похоже, на горизонте может появиться идеальный кубит".

Команда опубликовала свои выводы в статье Nature под названием "Одиночные электроны на твердом неоне как твердотельная кубитная платформа". Помимо Цзинь и Чжоу, в состав аргоннских авторов входят Сюфэн Чжан, Сюй Хань, Синьхао Ли и Ралу Диван. В дополнение к Дэвиду Шустеру, среди авторов Чикагского университета также Бреннан Диздар. Помимо Кэтер Марч из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, среди других исследователей - Вэй Го из Университета штата Флорида, Гервин Колстра из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Джи Янг из Массачусетского технологического института.

Финансирование исследований в Аргонне в основном поступало от Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США, программы научных исследований и разработок под руководством лаборатории Аргонна и Фонда физических исследований Джулиана Швингера.