манипуляция одиночным спином

Настройка радиоприёмника на станцию, которая меняет частоту при пересечении границы фаз, — так можно представить задачу, стоявшую перед исследователями. В металле YbRh2Si2 электроны ведут себя как «тяжёлые» частицы: их эффективная масса в сотни раз больше массы свободного электрона.

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.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Представьте лестницу, перекладины которой — крошечные магнитики. Если соседние магнитики ориентированы противоположно (антипараллельно), лестница находится в «спокойном» состоянии. Но если заставить их выстроиться в одном направлении, вся конструкция намагнитится и станет «упрямой» — возникнет ферромагнитный порядок.

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.

Кристалл PbCuTe₂O₆ представляет собой трёхмерную паутину из атомов меди, теллура и кислорода. Внутри неё магнитные моменты — крошечные стрелки, связанные со спинами электронов, — запутаны так, что не могут выстроиться в привычный порядок даже вблизи абсолютного нуля.

Тонкая серебряная струна длиной почти с толщину человеческого волоса — и в ней проявляются чистые квантовые законы. Физики создали проводник, в котором электроны могут двигаться только вперёд или назад, словно по идеально прямой одноколейной дороге без обочин.

Полярная молекула — это микроскопическая гантель с разнесёнными электрическими зарядами: на одном конце положительный, на другом отрицательный. Такая асимметрия делает их агрессивными: при сближении молекулы либо слипаются, либо разлетаются на большие расстояния, потому что электрические силы между ними очень сильны.

Живая клетка непрерывно испускает слабые магнитные сигналы – словно ведёт беззвучный шёпот. Учёные подслушивают этот шёпот с помощью двух микроскопических «микрофонов» – датчиков магнитного поля. Один создан природой (белок), другой – рукотворная алмазная пылинка с изъяном (чистый углерод), который и превращает её в антенну.

Квантовые спиновые цепочки напоминают шеренгу людей, передающих друг другу секретное рукопожатие: каждый поворачивается к соседу, и от того, насколько крепко они сжали ладони, зависит, как пробежит волна по всей цепочке.

Некоторые материалы внутри устроены как лента Мёбиуса — их электронные состояния закручены особым образом. Такие топологические свойства обычно пытаются менять мощным магнитным полем, словно пытаясь разгладить ленту кувалдой. Группа исследователей нашла более тонкий инструмент.

Лист бумаги в клетку, лист в ромбик и лист в соты — три разные вселенные для муравья. Сменил лист — и правила движения изменились. Примерно так же электроны ощущают кристаллическую решётку: геометрия диктует, будут они магнитиками, сверхпроводниками или чем-то ещё. В обычных материалах решётка жёсткая, как выгравированная.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — кубит — должен играть свою партию точно и вовремя. Обычно музыкантов рассаживают на фиксированные места и соединяют проводами-пультами. Но что, если позволить им свободно передвигаться по сцене, а само движение превратить в часть музыки?

Точечный дефект в кристаллической решётке нитрида бора работает как миниатюрный оптический индикатор. При возбуждении светом он испускает свечение, цвет которого сдвигается в красную область с ростом температуры: это классическая термометрическая зависимость.

Квантовый симулятор на ионных ловушках похож на оркестр, где каждый ион — музыкант, а фононная шина (общие колебания) — дирижёр, передающий сигналы. Пока все играют одну мелодию, всё идёт гладко. Но если попросить музыкантов одновременно исполнять две разные партии, дирижёр начинает сбиваться — возникают помехи, искажающие звук.

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.

Обычный магнит похож на компас: его стрелка указывает на север. Но квантовый компас способен смотреть в оба направления разом. Если парящий в вакууме магнит осторожно раскрутить, его «волчки»-электроны синхронизируются так, что весь кусок металла начинает жить по законам микромира — замирает в суперпозиции, словно раздвоенный указатель.

Сотни волчков сидят на карусели. Каждый крутится сам по себе, но вся карусель ещё и вращается. Задача — дотронуться до любого волчка и повернуть его ось, пока он проносится мимо. В квантовом мире роль такой карусели играет кристалл из заряженных атомов (ионов) в ловушке Пеннинга — устройстве, где электрические и магнитные поля удерживают ионы и заставляют их вращаться.

Три гитарные струны на одном инструменте, но колки у каждой вращаются с разным усилием: одна поддаётся сразу, другую крутишь с трудом, а третья и вовсе заедает. Примерно так выглядит работа с кремниевыми квантовыми точками — крошечными островками-кубитами, где каждый требует своего электрического «напряжения-колка», чтобы правильно звучать.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, не слушая других. Вдруг, без видимого приказа, соседи по пульту начинают идеально синхронизироваться, но общей мелодии ещё нет. Нечто подобное происходит в некоторых материалах при охлаждении: электроны теряют энергию, словно готовясь к сверхпроводимости, но так в неё и не переходят.

У каждой квантовой частицы есть спин — собственный момент импульса, внутреннее магнитное свойство, словно крошечная стрелка. В эксперименте пучок таких частиц, пролетая через неоднородное магнитное поле, разделяется на два дискретных пучка — как монетка, выпадающая орлом или решкой.

Квантовым сетям необходим интерфейс между хранилищем информации — спиновым состоянием частицы — и её переносчиком — светом. До недавнего времени ни одна одиночная молекула не могла выполнять эту роль. Однако физики обнаружили подходящего кандидата.

Расчёска, проведённая по волосам, притягивает клочки бумаги. Этот простой трюк физики решили применить на микроскопическом уровне — для управления магнитными вихрями, которые называют скирмионами. Скирмион похож на крошечный смерч в море намагниченности: в его центре стрелки компаса смотрят вверх, а по краям закручиваются вниз. Так получается стабильный узел, который не распутывается сам собой.

Водитель крутит руль, чтобы машина повернула. В квантовом мире тоже есть свои «рули» — внешние параметры, которые плавно меняют, чтобы перегнать частицы из одного места в другое. Так устроен насос Таулеса: медленно изменяя условия, можно перекачать строго определённое число частиц, и это число защищено от помех самой геометрией процесса.

Когда солнечный свет попадает на молекулы гелиобактерий, те действуют подобно венчикам кухонного миксера: захватывают энергию и раскручивают электроны в строго определённом направлении. Однако иногда это вращение сбивается — возникают триплетные состояния, своего рода «застрявшие» частицы, которые можно представить как венчик, на миг замерший и дёрнувшийся в обратную сторону.

Крошечные магнитики внутри атомов — ядерные спины — в холодном кристалле могут «застыть» на долгие минуты. Это мешает быстрой настройке квантовых датчиков: слишком медленно всё приходит в нужное состояние. Физики нашли способ подтолкнуть их светом.

Нейтронный спектрометр похож на слепого геолога, который простукивает породу и по звуку угадывает, что внутри. Он посылает пучок нейтронов в кристалл и смотрит, как те разлетаются. По этому узору можно понять, как колеблются атомные магнитики — спины. Но где именно копать и как долго слушать, раньше решал человек. Теперь за пульт сел алгоритм TAS-AI. Он работает в два приёма.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию идеально, иначе мелодия рассыплется. Раньше для управления кубитами — квантовыми «музыкантами» — требовалась целая комната оборудования, и каждый лишний провод добавлял шума.

Толпа людей вдруг начинает двигаться как один человек. В физике такое случается с атомными спинами — крошечными магнитными стрелками. Когда много спинов собираются вместе и общаются через общую среду, они образуют один большой магнит, или макроспин.

Четыре музыканта играют слаженно, только если держатся за руки. В квантовом мире такую цепочку образуют четыре электрона в четырёх соседних квантовых точках — крошечных ловушках для заряда. Это основа SAGE-кубита (от английского «всегда включённый бесщелевой обмен на синглетах»).

В электромагнитной ловушке исследователи сформировали ионный кристалл — упорядоченную структуру из 150 ионов, охлаждённых до сверхнизких температур. Каждый ион ведёт себя как элементарный магнит, спин которого — вектор, способный ориентироваться в пространстве произвольно.

В ускорителе Фермилаба пучок частиц бьёт по мишени из замороженного аммиака. Ядра водорода в нём — как крошечные волчки, и физикам нужно, чтобы все они крутились в одну сторону. Тогда столкновения расскажут, как устроен спин протона.

Крошечный магнит, собранный всего из двух молекул, лёг на поверхность металла — и повёл себя как капризный дирижёр. Обычно электроны в металле движутся согласованно, как толпа на эскалаторе. Но при сильном охлаждении этот порядок ломается, и движение становится непредсказуемым. Именно такое поведение удалось зафиксировать в новом эксперименте.

Волчок, раскрученный на идеальной поверхности, падает от малейшей дрожи. Так и квантовый бит, созданный на дефекте в алмазе, теряет своё состояние из-за магнитного беспорядка, вносимого примесями и внешними помехами.

Две квантовые точки — это как два крошечных кармана в куске кремния, где электрон может сидеть, как шарик в лунке. Когда карманы далеко друг от друга, каждый электрон живёт сам по себе, и его энергия похожа на уровни одинокого атома. Но если карманы сблизить, электрон начинает чувствовать соседа, и уровни расщепляются — получается подобие молекулы с общими, разделёнными состояниями.

Квантовый мир любит порядок, но реальность часто вносит беспорядок. В этой работе физики изучают одномерные цепочки спинов — крошечных магнитных стрелок, которые могут быть направлены вверх или вниз. Обычно топологические фазы (устойчивые состояния, защищённые симметрией) определяют для чистых состояний, где каждая стрелка точно известна.

Квантовый магнитометр на основе ядер водорода работает по принципу, напоминающему наушники с активным шумоподавлением. Он попеременно «слушает» магнитное поле двумя разными способами: шум для них одинаков, а полезный сигнал различен. Вычитая одно из другого, прибор выделяет сигнал, ослабляя помехи более чем в 1000 раз.

Магнитные атомы в твёрдом теле похожи на стрелки компасов: обычно при охлаждении они выстраиваются в одном направлении — так возникает магнетизм. Но в веществе TbInO3 стрелки тербия сидят на треугольной решётке, где невозможно угодить всем соседям сразу. Одна стрелка хочет смотреть на север, другая — на юг, и в итоге ни одна не может занять устойчивое положение.

Квантовый компьютер на спинах электронов похож на ряд крошечных волчков. Каждый волчок крутится либо по часовой, либо против — это и есть кубит. Чтобы узнать результат вычисления, волчок обычно останавливают и смотрят, куда он упал. Но если волчков много, на каждый нужен отдельный «глаз» — лишний кубит-помощник.