Молекула-барвник допомогла електронам втримати квантову заплутаність за кімнатної температури

Молекули хромофори, які відповідають за колір речовин, допомогли електронам у них зберігати за кімнатної температури квантову заплутаність — необхідний для квантових обчислень стан, для підтримки якого зазвичай потрібні низькі температури. Завдяки тому, що хромофори вміють реагувати на світло, фізики змогли не за допомогою охолодження, а за допомогою випромінювання контролювати положення хромофорів й формування квантово заплутаних пар електронів у них. Відкритий ефект допоможе розробляти доступніші квантові комп'ютери, що не вимагатимуть складного обладнання, пише Science Alert. Стаття вчених опублікована у Science Advances.

Художнє зображення сучасної конструкції квантових комп'ютерів. Unsplash

Чим тепло заважає квантовим комп'ютерам?

Як і у звичайних комп'ютерах, у квантових використовують біти — мінімальну одиницю інформації. Однак, у квантових комп'ютерах ці біти також квантові, звані кубітами, що завдяки квантовим явищам мають більше станів, ніж «0» і «1», як у звичайних бітах. Це дає кубітам перевагу у швидкості й складності обчислень, але також робить їх більш вразливими до зовнішніх впливів, зокрема тепла.

Зазвичай квантові комп'ютери працюють за температури у менш як -190 градусів Цельсія, аби тепло не руйнувало зв'язок між кубітами, що призводить до втрати інформації. Утім, така вимога також й обмежує розробку квантових комп'ютерів через необхідність обслуговувати велику кількість додаткового обладнання. Обійти необхідність у низьких температурах змогли науковці Університету Кюсю.

Як молекули-барвники допомогли кубітам?

У ролі кубітів у своєму дослідженні вчені вирішили використати електрони. Їх можна використовувати для кодування інформації, контролюючи їхній спін, що може займати положення вниз або вгору. Завдяки квантовій заплутаності, яка передбачає зв'язок між парами електронів, вчені можуть знати спін обох частинок, впливаючи лише на одну. А щоб цю заплутаність не руйнувало тепло, науковці звернулися до хромофорів — молекул, які поглинають й випромінюють світло.

Хромофори помістили у структуру, звану металоорганічним каркасом — пористий кристалічний матеріал з іонів металів. Пори всередині нього дозволяють накопичувати хромофори й точно контролювати їхнє положення за допомогою імпульсів мікрохвильового випромінювання. Цими імпульсами вчені розмістили хромофори у бажаному положенні й контролювали, щоб воно не змінилося через вплив тепла. Завдяки цьому створені квантово заплутані пари електронів у хромофорах підтримували свій зв'язок протягом 100 наносекунд. І хоч це доволі короткий час, якого замало для проведення обчислень, зв'язок лишався стабільним за температури у 27 градусів Цельсія.

Фізики планують продовжити свої експерименти, щоб створити систему із більшої кількості кубітів. Вчені сподіваються, що їхній метод приведе до створення квантових комп'ютерів, які зможуть працювати за кімнатної температури.

• Руйнування зв'язку між кубітами досі не дає можливість створювати великі квантові комп'ютери, адже що більше кубітів, то більше помилок виникатиме. Утім, нещодавно одразу двом компаніям вперше вдалося створити квантовий комп'ютер із більш як 1 000 кубітів — Atom Computing із комп'ютером на 1 180 кубітів та IBM із 1 121 кубітом.