инженерия квантовых кубитов

Кораблик в бутылке собирают не снаружи, а внутри: через узкое горлышко протаскивают мачты и паруса, и внутри стекла они сами встают в нужную позу. Примерно так же химики поступили с отдельной молекулой кобальтоцена, которую затянули в щель между слоями двумерного кристалла.

Одиночный атом эрбия, закреплённый на серебряной подложке, хранит квантовую информацию в своём спине — собственном моменте импульса электрона, который можно представить как внутреннее вращение. До недавнего времени для переворота этого спина требовался магнитный импульс — грубый инструмент, который воздействует на соседние атомы и работает медленно.

В любом городском проекте поведение жителей выступает как невидимая сила — скрытая переменная, от которой зависит успех. Один сомневающийся сосед способен затормозить установку солнечных панелей на целый квартал: его осторожность запускает рост энтропии — меры беспорядка в системе.

В квантовом мире атомы и частицы неизбежно теряют энергию, стремясь к равновесию — это напоминает затухание качелей из-за потери энергии, то есть энтропийного трения. Однако работа многих приборов — от водородных мазеров до атомных часов — основана на поддержании повторяющихся циклов, где колебания не должны затухать.

Квантовая кошка — особое состояние света, идею которого предложил Эрвин Шрёдингер в своём знаменитом мысленном эксперименте.

Сверхпроводник проводит ток без сопротивления — как вода, бегущая по трубе без трения. Секрет в электронных парах: два электрона слипаются в одно целое, хотя обычно отталкиваются. В обычном сверхпроводнике спины электронов в паре смотрят в разные стороны — это синглетное состояние. Его можно сравнить с двумя фигуристами, которые кружатся спина к спине.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — это спин электрона, его крошечный магнитный момент. Чтобы оркестр играл слаженно, дирижёр должен слышать каждого музыканта отдельно.

Внутри каждой клетки есть сеть из тонких трубочек — микротрубочек. Они работают как строительные леса и рельсы одновременно: держат форму клетки и перевозят грузы. Эти трубочки собраны из белка тубулина и от природы слабо светятся под ультрафиолетом. Учёные задумались: можно ли сделать это свечение сильнее или слабее по заказу? Ключ к управлению — аминокислота триптофан.

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.

В кристалле алмаза иногда встречается крошечный дефект: атом азота занимает место углерода, а рядом пустует узел решётки. Электроны в этом месте ведут себя как волчок, который может крутиться в разные стороны. Такие «волчки» — готовые ячейки для будущих квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков.

Квантовые точки — это крошечные ловушки для электронов, размером с атом, но сделанные искусственно. В них можно хранить и обрабатывать информацию, как в миниатюрных ячейках будущего компьютера. Обычно, чтобы изменить состояние такой точки, нужно подвести к ней провод и подать напряжение.

В микросхемах провода обычно лежат на поверхности, как рельсы на земле. Но иногда нужно, чтобы один провод перепрыгнул через другой, не касаясь его. Для этого строят воздушные мостики — тонкие металлические дуги, висящие над платой. Раньше такой мостик собирали в несколько приёмов: наносили слой, облучали, травили, повторяли. Каждый приём — шанс что-то испортить.

Резонатор колеблется с частотой 100 мегагерц, а его механическое затухание — всего 15 герц. Это как колокол, который звенит тысячи лет после одного удара. Рядом с ним — кубит, квантовый двухуровневый элемент, который затухает за миллисекунды. Именно этот контраст времён жизни открывает дверь к коту Шрёдингера.

В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил, что горячее мороженое застывает быстрее холодного. Этот парадокс, названный его именем, долго оставался предметом споров о классической термодинамике. Теперь квантовый мир предлагает свою версию: состояние с более сильным нарушением симметрии может восстанавливать её быстрее, чем менее нарушенное.