квантовый компьютер на нейтральных атомах

Нейтрон — частица, которая обычно стабильно «сидит» в ядре атома и не исчезает. Но некоторые теории предполагают, что изредка он может превращаться в своего невидимого двойника — гипотетическую частицу, которую невозможно поймать обычными детекторами.

Луч света влетает в стеклянную кювету с парами цезия и меняет внутреннее состояние атомов — так записывается информация. Через мгновение другой луч считывает её по тому, как атомы поглощают свет. Это не жёсткий диск, а скорее блокнот, который сам переворачивает страницы. Восемь таких «страниц» создаются акустооптическим дефлектором — устройством, которое отклоняет луч звуком.

Одиночный фотон — как идеально ровный кирпичик, из которого можно строить квантовые технологии. Но чтобы построить дом, нужны тысячи одинаковых кирпичей. Атомы рубидия — прирождённые излучатели: каждый атом испускает фотоны строго одной длины волны, как камертон, всегда дающий одну ноту. Проблема в том, как собрать много атомов в одном месте и заставить их работать согласованно.

Квантовый компьютер на нейтральных атомах напоминает город, где курьеры — лазерные пинцеты — физически перемещают посылки между адресами. Пока один курьер тащит атом через весь чип, остальные простаивают. Это медленно и порождает ошибки. Новая архитектура заменяет курьеров общей радиоволной.

Два танцора на сцене должны двигаться безупречно синхронно, но стоит одному замешкаться — и весь номер испорчен. Примерно так работают квантовые компьютеры на нейтральных атомах: два атома запутывают, переводя в ридберговское состояние (огромное, как воздушный шар по сравнению с обычным атомом), и ждут, пока они «станцуют» свою партию.

Маятник, который почти ничто не может сбить, не боится ни тряски, ни тепла, ни магнитных полей — потому что спрятан в самой сердцевине атома. Именно такой маятник использовали физики, впервые запустив ядерные часы. Раньше лучшие часы — оптические — работали на переходах электронов. Но электроны живут на периферии атома, как бабочки на ветру: любое внешнее воздействие их тревожит.

Самые точные современные часы — атомные — отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями. Однако их ход можно нарушить: подобно тому, как тряска сбивает ритм механического маятника, внешние поля влияют на электронные оболочки. Физики нашли более стабильный осциллятор — атомное ядро.

Ловушка-невидимка из лазерного света удержала 11 тысяч атомов — рекордное число для квантовой инженерии. Ранее физики манипулировали лишь десятками таких частиц; теперь счёт пошёл на тысячи. Каждый атом становится кубитом — квантовым битом, который, в отличие от классического, может находиться в суперпозиции: одновременно и нулём, и единицей, подобно монете, крутящейся на ребре.

Обычный полевой транзистор похож на кран с очень чувствительной ручкой: чуть повернул — вода пошла. В холодных недрах квантового компьютера, где всё охлаждено почти до абсолютного нуля, такой кран должен открываться строго по команде.

Квантовый бит, или кубит, — фундаментальная единица квантовой информации — представляет собой крайне нежную конструкцию. Даже слабое тепловое воздействие способно разрушить его состояние, подобно тому как случайный толчок опрокидывает хрустальный бокал, разбивая его вдребезги.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр управляет всеми сразу. В квантовом компьютере на нейтральных атомах роль дирижёра выполняет лазерный луч, который должен попадать точно в цель, не сбиваясь ни на долю секунды. Атомы при этом не стоят на месте — они дрожат в ловушке, как музыканты на скользкой сцене, и луч иногда промахивается.

Квантовый компьютер на нейтральных атомах напоминает библиотеку, где книги нужно не просто прочитать, но и быстро вернуть на полку. Долгое считывание результата — как медленный библиотекарь, который задерживает всю очередь. Учёные нашли способ ускорить этот процесс, добавив помощников.

Квантовый компьютер держит атомы в ловушках из света, как шарики в лунках. Чтобы прочитать ответ, нужно сфотографировать каждый атом и понять, светится он или нет. Раньше разбор такого снимка занимал столько времени, что компьютер простаивал. Теперь инженеры сделали специальную плату, которая смотрит на фотографию и мгновенно находит все атомы.

В будущем детекторе нейтрино будут миллионы крошечных пластиковых кубиков — каждый размером с игральную кость. Они вспыхивают, когда через них пролетает частица-призрак, и эту вспышку нужно поймать и измерить. Но если кубик кривой, с заусенцем или дыркой не на месте — сигнал исказится, и детектор начнёт врать. Проверять каждый кубик вручную — всё равно что перебирать песок на пляже.

Ровный лазерный луч — как натянутая струна: если она хоть чуть-чуть дрожит, музыка превращается в какофонию. В квантовом компьютере лазер удерживает атомы в ловушке, и любая дрожь частоты ломает вычисление. Поэтому раньше лазерные установки занимали целые столы, а настройка занимала недели.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но все должны звучать слаженно. До сих пор большинство квантовых схем строились из одинаковых атомов — как если бы в оркестре были одни скрипки. Теперь физики научили работать вместе два разных элемента: рубидий и цезий.

Квантовый компьютер в лаборатории похож на оркестр: лазеры играют роль смычков, а ионы — струн. Чтобы сыграть нужную мелодию, на лазеры подают мощные радиосигналы — они задают ритм и высоту. Но часть этой «музыки» выходит за пределы сцены.

Свет входит в крошечную полость с зеркальными стенками и попадает на атом эрбия, спрятанный в кристалле. Атом поглощает свет и перебрасывает своё ядро в другое состояние — как тумблер, который щёлкает от нажатия. Но тумблер этот не обычный: он живёт по законам квантового мира и может находиться в двух положениях одновременно.

Кристалл, который внутри напоминает губку с лабиринтом пор, оказался способен выполнять вычисления. Материал с названием DUT-8 состоит из металлических узлов и органических перемычек, образующих ажурную решётку. Под воздействием разных газов эта решётка слегка меняет форму — как карточный домик, который перестраивается от лёгкого дуновения.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где электроны и ядра играют на разных инструментах. Обычно дирижёру нужны две палочки: микроволны для электронов и радиоволны для ядер. Учёные из Японии нашли способ обойтись одной палочкой — они заставили микроволновые импульсы управлять и ядром, и электроном одновременно.

Представьте устройство размером с песчинку: крошечное параболическое зеркало-тарелка удерживает одиночный атом рубидия и собирает его свечение — фотоны, испускаемые атомом под лазерным лучом.

Атомные кубиты — квантовые биты, реализованные на отдельных атомах, — выполняют логические операции за микросекунды. Однако считывание результата с помощью светочувствительной камеры занимает миллисекунды, то есть в тысячи раз дольше.

Шахматная партия, где фигуры двигаются только для рокировки, а все удары наносятся с места. Именно такую стратегию выбрали физики из Infleqtion для своего 114-кубитного квантового процессора Sqale.

Четыре атома цезия висят в вакууме, удерживаемые лазерными пинцетами, как бусины на невидимой нити. Вокруг них — кольцевой резонатор, замкнутый контур из зеркал, где свет бежит по кругу, не встречая препятствий. Когда на эту крошечную цепочку падает пробный луч, происходит нечто странное: атомы начинают рассеивать свет не равномерно во все стороны, а преимущественно в одном направлении.

В толще алмаза спрятаны крошечные изъяны — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Эти дефекты, словно маяки, могут хранить и передавать квантовую информацию. Но вокруг бушует магнитная буря: ядра атомов в кристалле колеблются, создавая помехи. Сигнал тонет в шуме. Авторы работы нашли способ пробиться сквозь этот хаос.