Атомные ядра представляют собой одни из наиболее стабильных кандидатов для создания кубитов — базовых элементов квантовых компьютеров. Их квантовые состояния способны сохраняться на протяжении многих часов, что является огромным преимуществом для хранения информации. Однако долгое время существовала фундаментальная проблема: эти ядерные состояния крайне слабо взаимодействуют с фотонами (частицами света), которые, в свою очередь, являются основным «транспортом» для передачи квантовой информации в сетях и системах связи. Группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) предложила инновационное решение, открыв принципиально новый метод управления ядерными кубитами непосредственно с помощью лазерного излучения.
Фотоны, будучи квантами электромагнитного поля, практически не оказывают прямого влияния на атомные ядра. Их частоты и энергии различаются настолько значительно (в миллионы и миллиарды раз), что прямое управление спином ядра светом считалось маловероятным. Традиционно фотоны воздействуют на электроны, окружающие ядро, а те уже, в свою очередь, передают это воздействие ядру — процесс получается косвенным и не всегда эффективным. Идея же прямого использования фотонов для записи и считывания информации в ядерных спинах сулит революцию в квантовых технологиях, но требовала принципиально нового физического механизма.
Прорыв в теории: лазер как ключ к ядру
«Мы обнаружили новый и мощный способ заставить ядерные спины взаимодействовать с оптическими фотонами лазеров, — объясняет профессор Паола Каппелларо из Школы ядерных наук и инженерии MIT. — Этот механизм связи открывает путь к прямому контролю и измерению состояний ядерных кубитов». Важно отметить, что на текущем этапе речь идёт о теоретическом обосновании, которое теперь предстоит подтвердить в ходе практических экспериментов.
Обратите внимание: Экспериментальная холодильная система использует магнитные поля и сплавы, меняющие свою форму.
В основе метода — электрический квадруполь ядра
Новый подход основан на использовании внутренних свойств атомных ядер, в частности, их электрического квадрупольного момента. Это свойство характеризует распределение электрического заряда внутри ядра. Исследователи предложили использовать лазерные лучи определённых длин волн для воздействия на электрическое поле вокруг ядра. Это воздействие, в свою очередь, позволяет напрямую управлять ориентацией ядерного спина — то есть состоянием кубита.
На иллюстрации схематично показан принцип работы: два лазерных луча с разными частотами (длинами волн) воздействуют на электрическое поле (обозначено розовым цветом) в области ядра (кремовый овал). Это вызывает предсказуемое отклонение спина ядра в заданном направлении (стрелка). Ключевой момент заключается в том, что угол и характер этого отклонения строго зависят от частоты падающих фотонов, что позволяет точно программировать квантовые операции.
Перспективы для квантовых технологий
Данное открытие имеет огромный потенциал для различных областей. Наиболее очевидное применение — создание высокоэффективной квантовой памяти, где информация, закодированная в фотонах, могла бы мгновенно преобразовываться в долгоживущие ядерные спины и так же быстро считываться обратно в свет для передачи по квантовым сетям. Кроме того, технология может лечь в основу новых поколений квантовых компьютеров, сверхчувствительных датчиков и спектрометров. Следующий шаг — экспериментальная проверка этой многообещающей теории в лабораторных условиях, что приблизит мир к созданию практичных квантовых вычислительных систем.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Новый подход использует преимущества различных свойств ядер, таких как присущий им электрический квадруполь.