Dar neseniai tai skambėjo kaip fantastika: kvantiniai kompiuteriai artėja prie proveržio
Kvantiniai kompiuteriai žada spręsti uždavinius, kurių klasikiniai kompiuteriai nepajėgia įveikti, tačiau jų plėtrą riboja fundamentalūs iššūkiai. Vienas didžiausių – kaip didinti kubitų skaičių neprarandant itin tikslios kiekvieno jų kontrolės. Šiuolaikinės sistemos jau pasiekia maždaug tūkstančio kubitų lygį – tai įspūdingas inžinerinis pasiekimas, tačiau praktiniams pritaikymams jo vis dar nepakanka.
„Columbia University“ fizikai išsikėlė tikslą, kuris dar visai neseniai skambėjo kaip mokslinė fantastika – sukurti platformą, galinčią talpinti daugiau nei 100 tūkst. kubitų. Naujausi jų tyrimai rodo, kad sprendimas gali slypėti sujungus dvi pažangias technologijas: neutralių atomų masyvus ir plokščius optinius įrenginius, vadinamus metapaviršiais.
Kodėl atomai – natūralūs kubitai
Atomai dėl savo vienodos sandaros ir prigimtinių kvantinių savybių, tokių kaip superpozicija ar susietumas, laikomi itin tinkamais kandidatais kubitams. Gamta užtikrina jų vienodumą, todėl mokslininkams nereikia kiekvieno „vieneto“ atskirai charakterizuoti ir kruopščiai derinti.
Vis dėlto svarbiausias klausimas jau daugelį metų tas pats: kaip vienu metu valdyti milžinišką atomų skaičių. Ilgą laiką pagrindinis įrankis buvo vadinamosios optinės pincetės – stipriai sufokusuoti lazerio spinduliai, laikantys pavienius atomus. Tačiau tūkstančių tokių spindulių generavimas reikalauja sudėtingos ir brangios įrangos, pavyzdžiui, erdvinių šviesos moduliatorių ar akustooptinių deflektorių. Būtent tai reikšmingai ribojo bendrą sistemos mastelį.
Metapaviršiai kaip mastelio didinimo raktas
„Columbia University“ komandos siūlomas proveržis remiasi metapaviršių taikymu. Tai itin plonos, plokščios struktūros, padengtos dvimate nanometrinių „pikselių“ matrica – kiekvienas jų mažesnis nei 200 nanometrų. Tokios struktūros gali tiesiogiai formuoti į jas krintantį lazerio spindulį ir iš karto sukurti visą sufokusuotų taškų – optinių pincetų – tinklą, nebereikalaujant papildomos, masyvios optikos.
Komandos atstovas Nanfang Yu šias struktūras lygina su dešimčių tūkstančių mikroskopinių lęšių „superpozicija“ vienoje plokštumoje. Svarbu ir tai, kad iš silicio nitrido bei titano dioksido pagaminti metapaviršiai yra itin atsparūs: jie atlaiko lazerio intensyvumą, viršijantį 2000 vatų viename kvadratiniame milimetre. Tai maždaug milijoną kartų daugiau nei Saulės šviesos intensyvumas, pasiekiantis Žemę.
Įspūdinga demonstracija ir mastelio potencialas
Naujos platformos lankstumą pademonstravo doktorantai Aaron Holman ir Yuan Xu. Eksperimentuose komandai pavyko įkalinti tūkstantį stroncio atomų, išdėliojant juos ne tik taisyklingame kvadratiniame tinkle, bet ir sudėtingesnėse struktūrose: kvazikristaliniuose raštuose bei kelių šimtų atomų sudarytoje miniatiūrinėje Laisvės statulos versijoje. Taip pat parodyta galimybė kurti itin tikslias geometrines formas – pavyzdžiui, apskritimą, kuriame atomai vienas nuo kito nutolę mažiau nei pusantro mikrometro.
Didžiausią įspūdį daro mastelio didinimo perspektyva. Vos 3,5 milimetro skersmens metapaviršis, turintis 114 mln. „pikselių“, gali generuoti 600 x 600 taškų matricą – iš viso 360 tūkst. potencialių optinių pincetų. Tai yra dviem dydžio eilėmis daugiau nei suteikia dabartinės plačiai taikomos technologijos.
Reali, nors sudėtinga, kelio schema
Mokslininkai mato aiškią, nors ir reiklią, trajektoriją link tikslo – vienu metu įkalinti 100 tūkst. atomų. Tam reikės gerokai galingesnių lazerių, tačiau, anot tyrėjų, tai telpa į dabartinių techninių galimybių ribas.
Kita vertus, vien kubitų skaičius problemos neišsprendžia. Ne mažiau svarbu išlaikyti koherentiškumą ir sumažinti operacijų klaidų tikimybę. Nepaisant šių iššūkių, pristatyta platforma gali būti naudinga ne tik kvantiniams kompiuteriams, bet ir tiksliems kvantiniams simuliatoriams ar naujos kartos optiniams atominiams laikrodžiams.
„Columbia University“ komandos darbas tampa tvirtu pagrindu būsimoms kvantinėms sistemoms. Jis rodo, kad šimtų tūkstančių pavienių atomų valdymas pamažu nustoja būti vien vizija ir virsta konkrečiu, nors sudėtingu, inžineriniu tikslu.
