Jauna magnētiskās rezonanses tehnika varētu radīt revolūciju kvantu skaitļošanā

2001. gadā fiziķu komanda no IBM un Stenfordas universitātes Silīcija ielejā atklāja, ka viņi ir uzbūvējuši ievērojamu datoru, kas spēj izmantot dīvainos kvantu mehānikas noteikumus, lai apstrādātu informāciju.

Šis kvantu dators tika izstrādāts, lai faktorizētu skaitļus, un tā ir problēma, ar kuru parastie datori saskaras ar īpašām problēmām. Komanda to lepni demonstrēja, atrodot divus galvenos skaitļa 15 faktorus (3 un 5, ja jums rodas jautājums).

Tas bija iespaidīgs varoņdarbs. Tas bija iespējams, jo kvantu objekts vienlaikus var pastāvēt divos stāvokļos, vienlaikus apzīmējot 0 un 1. Šāda veida superpozīcija ļauj vienam kvantu objektam vienlaicīgi aprēķināt ar 2 bitiem, diviem kvantu objektiem — ar četriem bitiem vienlaicīgi, astoņiem kvantu objektiem — ar 256 bitiem un tā tālāk.

IBM/Stenforda rīcībā bija tikai septiņi kubiti. Taču solījums no šāda veida ierīcēm ir milzīgs: dators ar tikai 30 kubitiem būtu jaudīgāks par jebkuru esošo parasto datoru.

Bet desmit gadu laikā kopš tā laika neviens nav uzbūvējis daudz jaudīgāku kvantu datoru par šo. Kā tas nākas?

IBM/Stenfordas iekārta strādāja, izmantojot tehniku, ko sauc par magnētisko rezonansi. Ideja ir atrast molekulu, kas satur atomu kodolus, kurus var likt griezties uz augšu vai uz leju ar nedaudz atšķirīgām enerģijām. Tas ļauj katru kodolu risināt atsevišķi, izmantojot magnētiskās rezonanses tehniku.

Tas ietver to ievietošanu spēcīgā magnētiskajā laukā, satriecot tos ar radioviļņiem un pēc tam klausoties atbalsi. (Ikvienam, kuram ir bijusi MRI skenēšana, būs tāda pati ārstēšana.)

Šī metode darbojas ar visu veidu molekulām, piemēram, acetonu, kofeīnu un pat alkoholu, lai gan IBM/Stenfordas komanda izmantoja eksotisku molekulu, kas pazīstama kā perfluorbutadienil dzelzs komplekss, lai iegūtu septiņus kubitus. Un tas darbojas arī istabas temperatūrā, kas ir ērti.

Bet šī ir lieta. Signāls no vienas molekulas ir pārāk vājš, lai šis paņēmiens uztvertu, tāpēc jums ir jāizmanto vesela tase molekulu, lai veiktu aprēķinus. Un tas rada nopietnus ierobežojumus tehnikas mērogojamībai.

Izmantojot lielākas molekulas, lai palielinātu kubitu skaitu, tiek ievērojami samazināts signāls, ko varat uztvert no katra kubita. Tātad magnētiskās rezonanses paņēmiens, izmantojot glāzi molekulu, vienkārši nedarbojas daudz vairāk kā saujiņu kubitu.

Tāpēc fiziķi tik ilgi ir iestrēguši. Līdz šim neviens nezināja, kā palielināt kubitu skaitu.

Šodien Maiks Grinolds un draugi no Hārvardas universitātes saka, ka ir atrisinājuši problēmu. Un veids, kā viņi to ir darījuši, ir samazināt magnētiskās rezonanses iekārtas biznesa galu līdz adatas galviņas izmēram. (Ja kādreiz esat redzējis magnētiskās rezonanses iekārtu, jūs zināt, kas tas ir.)

Viņi to ir izdarījuši, atomu spēka mikroskopa skenēšanas galā novietojot spēcīgu magnētu. Tādā veidā tie var radīt spēcīgu magnētiskā lauka gradientu tikai dažu nanometru platumā. Tas ļauj viņiem stimulēt un kontrolēt atsevišķu elektronu magnētisko rezonansi.

Viņi ir izmēģinājuši savu ierīci tā sauktajās slāpekļa vakances dimantā. Tie tiek izveidoti, apglabājot atsevišķus slāpekļa atomus plānās dimanta loksnēs. Kvantu fiziķus aizrauj šīs vakances, jo tās ir labi aizsargātas no ārpasaules un ir tik stabilas, un tās ir viegli pamanāmas pēc to izstarotajiem fotoniem.

Šīs vakances var arī novietot tuvu viena otrai, lai tās varētu mijiedarboties viena ar otru, kas ir būtiska kvantu datoriem paredzētā prasība, jo tā ļauj izveidot kvantu loģikas vārtus ar vairāk nekā vienu ieejas un izejas komplektu.

Bet šādi vārti darbosies tikai tad, ja ar elektroniem vakancēs varēs pareizi manipulēt.

Tieši to pieļauj jaunā magnētiskās rezonanses tehnika: manipulēt ar elektroniem tādā veidā, ko varētu viegli pielāgot kvantu skaitļošanai.

Grinolds un kolēģi saka, ka tam ir intriģējošs potenciāls pielietojums, sākot no jutīgiem nanomēroga magnetometriem līdz mērogojamiem kvantu informācijas procesoriem.

Tas ir aizraujošs izrāviens. Slāpekļa vakances dimantā ir labi pētītas daudzās laboratorijās visā pasaulē, un atomu spēka mikroskopi ir diezgan standarta komplekta daļas. Pieskaitiet to faktam, ka pirmais liela mēroga kvantu dators gandrīz noteikti iegūs savam īpašniekam cienīgu balvu, un jums ir visas sastāvdaļas, kas nepieciešamas, lai sacenstos.

Un tas ir, nepieminot daudzos citus skrējējus: jonu slazdus, ​​kvantu dobumus, supravadošus kubitus un optiskās loģikas vārtus un tamlīdzīgus.

Kvantu skaitļošanas šķēršļu skrējienā reiz šķita, ka sākumā magnētiskā rezonanse ir samazinājusies. Tagad tas atkal ir iedarbojies un dzenas uz priekšu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1103.0546 : Proksimālo griezienu kvantu kontrole, izmantojot nanomēroga magnētiskās rezonanses attēlveidošanu

Tagad varat sekot emuāram The Physics arXiv vietnē Twitter

paslēpties