твердотельный кубит

Тонкий слой арсенида индия спрятан под сверхпроводящей плёнкой, как голос под шумом толпы. Ток в таком гибриде выбирает путь наименьшего сопротивления и почти весь течёт по металлу, поэтому полупроводник остаётся неслышным для обычных приборов.

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.

Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды.

Мост, по которому пешеходы и велосипедисты движутся в одном потоке, не мешая друг другу. Примерно так работают гибридные системы из сверхпроводников и полупроводников: одни переносят ток без потерь, другие управляют этим током. Но чтобы построить такой мост, нужен сверхпроводник, который не боится сильного магнитного поля и не разрушает хрупкую полупроводниковую основу при изготовлении.

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.

Квантовый провод — это скоростная магистраль, где электроны несутся плотным потоком. У каждого электрона есть собственное внутреннее вращение — спин, — и до сих пор считалось, что разделить этот поток на две полосы, для «левого» и «правого» вращения, без потери квантовой упорядоченности почти невозможно. Нужны были либо сильные магниты, либо сложные трюки с потерей энергии.

Электроны в твёрдом теле обычно либо свободно бегают (металл), либо заперты на месте (изолятор). Но иногда сильное взаимное отталкивание запирает их в половинчатом состоянии: заряды стоят, а спины — маленькие магнитные стрелки — продолжают жить своей жизнью. Это называют моттовским изолятором.

В сердце квантового компьютера будущего может оказаться крошечная органическая молекула, похожая на треугольник. У неё есть два «лишних» электрона, которые не находят себе пару. Такие молекулы называют дирадикалами, и их электроны способны хранить информацию особым, квантовым способом.

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.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

В глубине алмазного кристалла, усыпанного NV-центрами, дремлет симфония. Каждый дефект — как камертон, готовый отозваться на пробегающую акустическую волну. Но поодиночке их голоса еле слышны: связь спина и фонона слабее шёпота. Нужен маэстро, способный превратить робкие колебания в громогласный хор. И такой маэстро — лазерный луч.

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?

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.

В алмазе, как и в любом кристалле, неизбежно возникают дефекты кристаллической решётки: вакансии (пустые узелки, где отсутствует атом) или примесные атомы, занявшие чужое место.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Обычный маятник качается с той же частотой, с какой его толкают. Но в квантовом мире можно создать систему, которая отвечает на толчок в два, три или больше раз медленнее — как будто у неё свой собственный ритм. Такие системы называют дискретными временными кристаллами.

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.

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.

Свет в оптоволокне бежит по сердцевине, почти не выходя наружу. Но если подойти вплотную, можно почувствовать слабое дрожание поля у поверхности — затухающую волну. Именно в таком «световом тумане» над поверхностью крошечного кремниевого кольца физики поймали одиночный атом рубидия. Ловушка работает как невидимая рука, которая гасит скорость атома одним касанием.

Удержать в памяти номер телефона, пока вокруг кричат и хлопают дверьми, почти невозможно. Примерно так живёт квантовый бит — кубит — в обычном материале: ядра соседних атомов, словно крошечные магнитики, постоянно дёргают его и стирают информацию. Чтобы кубит не забывал, нужно найти для него тихое место. Таким убежищем оказался оксид церия — порошок, похожий на белую глину.

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.

Пар, поднимающийся над горячим металлом, — привычное зрелище на кухне. Но если взять не воду, а рубидий, то такое облачко превращается в аккумулятор. Работает он не на химических реакциях, а на квантовой слаженности атомов. В эксперименте облачко пара с триллионом атомов рубидия (щелочной металл, похожий на натрий) поместили в стеклянную ячейку.

Свет можно использовать как курьера, который переносит секретные сообщения. Но чтобы курьер не потерял ни одной буквы, его нужно очень быстро встречать и проверять. Новый чип из тонкой плёнки ниобата лития — как турникет, который открывается и закрывается за миллиардные доли секунды, пропуская световые импульсы в нужный момент.

В тёмной комнате вспыхивает невидимая лампа. Её свет не похож на привычный: у него нет постоянной яркости, только редкие, но мощные всплески. Это яркий сжатый вакуум — состояние света, в котором нет обычной волны, но есть сильные квантовые флуктуации. Именно таким светом физики обстреляли атомы ксенона. Каждый всплеск выбивает из атома электрон.

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.

Внутри взрывающейся звезды нейтрино мчатся так густо, что начинают влиять друг на друга. Их квантовые состояния переплетаются — как нити в плотном клубке, где уже не разберёшь, где чья. Обычные компьютеры с трудом справляются с такой задачей, ведь число возможных состояний растёт лавинообразно.

В упорядоченной кристаллической решётке алмаза иногда встречаются структурные дефекты: атом азота замещает углерод в узле, а соседний узел остаётся пустым — вакантным. Такой дефект, называемый азотно-вакансионным центром, превращается в сверхчувствительный алмазный компас — его магнитный момент, подобно стрелке, реагирует на ничтожные изменения внешнего магнитного поля.

Физики использовали квантовый компьютер Ричарда Фейнмана — устройство, оперирующее кубитами вместо классических битов, — чтобы проследить за 28 квантовыми волчками. Так образно называют частицы, обладающие спином — собственным моментом вращения, фундаментальным свойством вроде заряда.

Обычная пайка не подходит для квантовых схем: при охлаждении до температуры жидкого гелия металл трескается, а сами контакты вносят шум. Инженеры из исследовательской группы попробовали другое — каплю галлиевого сплава, которая остаётся жидкой при комнатной температуре, как ртуть в старом градуснике.

Верёвка, сплетённая из сотни коротких нитей, может быть скручена вправо или влево. Каждая нить по отдельности не знает, куда закручена вся верёвка, но попробуйте её расплести — и разница сразу проявится. Примерно так устроены состояния, которые физики называют симметрийно-защищёнными: локально они неотличимы, а глобально — разные.

Магнит на холодильнике притягивает скрепку — это поле мы чувствуем руками. А теперь уменьшите это поле в миллиард раз. Такие слабые сигналы испускают атомы внутри нашего тела, и их очень трудно поймать. Учёные собрали датчик из особых молекул, которые сами ведут себя как крошечные магнитики.

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.

Кремний — как универсальный строительный блок: из него делают чипы в телефонах, солнечные панели и лазеры. Но если сжать его с огромной силой, атомы перестраиваются в новые узоры — такие формы называют аллотропами. Один из них, Si-XIII, впервые заметили больше двадцати лет назад, но его точный узор оставался загадкой.

Квантовый бит — как юла, которая должна крутиться долго, не шатаясь. В германии такие юлы научились запускать, но вокруг всегда дрожит пол: электрические помехи сбивают вращение. Чтобы пол был ровнее, сверху обычно кладут толстый слой кремний-германия — он как ковёр, приглушающий шаги.

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 каждый музыкант должен играть идеально слаженно. Если хоть один инструмент фальшивит, мелодия рассыпается. В роли таких музыкантов выступают сверхпроводящие кубиты, а их «фальшь» — это потеря квантовой когерентности. Учёные давно ищут, откуда берутся помехи, и одна из причин прячется в самом материале, из которого сделан кубит.

Три заряженных атома иттербия выстроены в треугольник внутри электромагнитной ловушки. Обычно они все общаются друг с другом, как три человека за одним столом, которые постоянно обмениваются репликами. Но если один из них выйдет в соседнюю комнату, беседа продолжится уже между оставшимися двумя.

В кристалле карбида кремния, похожем на прозрачный камень, спрятаны дефекты — места, где атомы встали не в ряд. Один такой дефект работает как квантовый узел: электрон внутри него крутится и обрабатывает информацию, а ядро соседнего атома тихо хранит её. Раньше эти двое почти не общались — мешал шум от тепла и магнитных полей.

На кремниевой пластине, похожей на микрорайон, кубиты — электроны со спином — живут в отдельных «домах». Раньше соседи общались только через забор, а теперь между ними проложили дорогу: по ней кубит едет к любой из четырёх остановок. Дорога — это шина, по которой электрон переносят, не теряя его квантовое состояние.

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.