Reprezentare artistică a două nuclee atomice cuplate cuantic prin intermediul electronilor și al „porții geometrice”.
Credit: Tony Melov / UNSW Sydney
Inseparabilitatea cuantică — respinsă odinioară de Albert Einstein drept „acțiune fantomatică la distanță” — a captivat de multă vreme imaginația publicului și i-a nedumerit chiar și pe oamenii de știință experimentați.
Dar pentru practicienii mecanicii cuantice de astăzi, realitatea este mai degrabă banală: inseparabilitatea cuantică este un tip de conexiune între particule, fiind trăsătura esențială a calculatoarelor cuantice.
Deși aceste dispozitive sunt încă la început, inseparabilitatea este cea care le va permite să facă lucruri imposibile pentru calculatoarele clasice, precum simularea mai fidelă a unor sisteme cuantice naturale, cum sunt moleculele, medicamentele sau catalizatorii.
Într-o nouă cercetare publicată în Science, colegii mei și cu mine am demonstrat cuplarea cuantică între două nuclee atomice aflate la circa 20 de nanometri.
Poate părea o distanță mică. Dar metoda folosită reprezintă un progres practic și conceptual care ar putea ajuta la construirea unor calculatoare cuantice pe baza unuia dintre cele mai precise și fiabile sisteme pentru stocarea informației cuantice.
Echilibrarea controlului cu zgomotul
Provocarea pentru inginerii calculatoarelor cuantice este să echilibreze două nevoi opuse.
Elementele de calcul, extrem de fragile, trebuie protejate de interferențe și zgomot extern. Dar, în același timp, trebuie să existe o modalitate de a interacționa cu ele pentru a efectua calcule.
Acesta este motivul pentru care există încă atât de multe tipuri de hardware aflate în competiție pentru a fi primul computer cuantic funcțional.
Unele tipuri sunt foarte bune pentru a efectua operații rapide, dar suferă din cauza zgomotului. Altele sunt bine protejate de zgomot, dar greu de operat și de extins.
Cum să faci nucleele atomilor să „vorbească” între ele
Echipa mea a lucrat la o platformă care – până acum – putea fi plasată în a doua categorie. Am implantat atomi de fosfor în cipuri de siliciu și am folosit spinul nucleelor atomice pentru a codifica informația cuantică.
Pentru a construi un computer cuantic util, va fi nevoie să lucrăm cu multe nuclee atomice în același timp. Dar până acum singura modalitate era să le plasăm foarte aproape unele de altele în interiorul unui solid, unde puteau fi înconjurați de un singur electron.
De obicei ne gândim la un electron ca fiind mult mai mic decât nucleul atomului. Totuși, fizica cuantică ne spune că acesta se poate „întinde” în spațiu, astfel încât să interacționeze simultan cu mai multe nuclee atomice.
Chiar și așa, domeniul în care un electron se poate extinde este destul de limitat. În plus, adăugarea mai multor nuclee la același electron face dificil controlul individual al fiecărui nucleu.
„Telefoane” electronice pentru a cupla nuclee îndepărtate
Am putea spune că, până acum, nucleele erau ca niște oameni puși în camere antifonate. Ele pot comunica între ele atâta timp cât se află în aceeași cameră, iar conversațiile sunt foarte clare.
Dar nu pot auzi nimic din exterior și doar un număr limitat de persoane pot încăpea în cameră. Așadar, acest mod de comunicare nu poate fi extins.
În noua noastră lucrare, este ca și cum le-am fi dat oamenilor telefoane pentru a comunica între camere diferite. Fiecare cameră rămâne liniștită în interior, dar acum pot avea loc conversații între mult mai mulți oameni, chiar dacă se află departe unii de alții.
„Telefoanele” sunt electronii. Prin capacitatea lor de a se întinde în spațiu, doi electroni se pot „atinge” la o distanță destul de mare.
Iar dacă fiecare electron este direct cuplat cu un nucleu atomic, nucleele pot comunica prin interacțiunea dintre electroni.
Am folosit acest canal electronic pentru a crea inseparabilitate cuantică între nuclee printr-o metodă numită „poarta geometrică”, pe care am folosit-o acum câțiva ani pentru a realiza operații cuantice de mare precizie cu atomi în siliciu.
Acum – pentru prima dată în siliciu – am arătat că această metodă poate fi extinsă dincolo de perechi de nuclee cuplate la același electron.
Integrarea în circuitele electronice
În experimentul nostru, nucleele de fosfor erau separate la 20 de nanometri. Dacă pare o distanță mică, este: între cei doi atomi de fosfor se află mai puțin de 40 de atomi de siliciu.
Dar aceasta este exact scara la care sunt fabricate tranzistoarele din siliciu utilizate zilnic. Crearea stării de cuplare cuantică la scară de 20 de nanometri înseamnă că putem integra qubiții de spin nuclear, durabili și bine protejați, în arhitectura existentă a cipurilor standard din siliciu, precum cele din telefoane și computere.
În viitor, ne imaginăm extinderea și mai mult a distanței la care se stabilește cuplarea cuantică, deoarece electronii pot fi deplasați fizic sau comprimați în forme mai alungite.
Cel mai recent progres al nostru înseamnă că realizările în domeniul dispozitivelor cuantice pe bază de electroni pot fi aplicate la construcția calculatoarelor cuantice care folosesc spinul nuclear de lungă durată pentru a efectua calcule fiabile.
Traducere după New entanglement breakthrough links cores of atoms, brings quantum computers closer de Andrea Morello, profesor d nasosisteme cuantice, UNSW Sydney.
