Прыжки через квантовые ступени.

Квантовая физика диктует законы, которые проявляются в микроскопических масштабах. Квантовые компьютеры работают, основываясь на квантовых явлениях. На них возлагаются многие надежды – по прогнозам, они смогут выполнять ряд вычислений намного быстрее, чем обычные компьютеры.

Одна из ключевых проблем создания квантовых процессоров заключается в том, что отслеживание и управление квантовыми системами в режиме реального времени является сложной задачей. Квантовые системы чрезвычайно хрупки: небрежное управление ими вносит существенные ошибки в конечный результат. Новая работа команды в Аалто направлена на создание точных квантовых компьютеров.

Исследователи сообщают об управлении квантовыми явлениями в специально разработанной электрической цепи, называемой трансмон. Экстремальное охлаждение трансмоновой микросхемы с точностью до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля вызывает квантовое состояние, и микросхема начинает вести себя как искусственный атом. Одна из квантовых особенностей, которая интересует исследователей, заключается в том, что энергия трансмона может принимать только определенные значения, называемые уровнями энергии. Они подобны ступеням на лестнице: человек, поднимающийся по лестнице, должен занимать ступеньку и не может парить где-то между двумя ступенями. Точно так же энергия трансмона может находиться только на одном из заданных уровней энергии. Излучаемые в цепи микроволны заставляют трансмон поглощать энергию и подниматься по «ступенькам».

В работе, опубликованной 8 февраля в журнале Science Advances, группа из Университета Аалто поделилась новым достижением. Им удалось совершить трансмон-прыжок через несколько уровней за раз. Ранее такой эффект достигался только очень плавной и медленной настройкой микроволновых сигналов, которые управляли устройством. В новой работе управляющий сигнал, сформированный специфическим способом, позволяет быстро и точно изменять уровень энергии. Доктор Антти Вепсяляйнен, ведущий автор, говорит: «Нам удалось показать, что, внося постоянные коррективы в состояние системы, мы можем управлять этим процессом быстрее и с высокой точностью».

Доктор Сергей Данилин, один из соавторов, описывает квантовый контроль — использование трансмонов в квантовых компьютерах – сравнивая его с «восхождением по лестнице». «Чтобы получить полезную квантовую систему, вам нужно представить, что вы поднимаетесь по лестнице, держа в руках стакан с водой. Все в порядке, если вы делаете это плавно, но, если вы делаете это слишком быстро, вода разливается. Конечно, для этого требуется особый навык.»

Ученые обнаружили, что в квантовом масштабе вся хитрость состоит в том, чтобы перепрыгивать через ступеньку. Это ускорение достигается благодаря тому, что трансмон поглощает два микроволновых фотона одновременно. Законы природы накладывают ограничение на скорость любого энергетического переключения. Оно называется «пределом квантовой скорости», и к радости ученых Аалто, новый метод менял уровни энергии со скоростью, близкой к теоретически рассчитанному пределу.

Команду волнует, смогут ли они расширить контроль передачи энергии в квантовых системах.  Чисто теоретически, результаты ученых могли бы найти применение в квантовых вычислениях и квантовом моделировании, которые требуют быстрых и очень точных операций, таких как подготовка состояния и создание квантовых вентилей. Доктор Параоану видит и другие возможности: «Мы хотели бы глубже понять процессы, связанные с передачей энергии, которые повсеместны в естественном мире и в окружающих нас технологиях. Например, существуют ли какие-либо фундаментальные ограничения того, как быстро мы можем зарядить аккумулятор электромобиля? »

В быстро развивающейся области квантовых технологий вполне возможно, что этот метод управления найдет применение.

Поделиться