Ученые сделали прорыв в квантовой физике: теперь вычисления могут быть при комнатной температуре

Тепло — враг квантовой неопределенности. Упорядочив поглощающие свет молекулы, физики из Японии сохранили критическое, еще не определенное состояние спинов электронов в течение 100 наносекунд при комнатной температуре. Эта инновация может оказать огромное влияние на прогресс в разработке квантовых технологий, которые не будут зависеть от громоздкого и дорогостоящего охлаждающего оборудования, необходимого в настоящее время для поддержания частиц в так называемой когерентной форме.

В отличие от того, как в повседневной жизни описываются объекты, обладающие такими качествами, как цвет, положение, скорость и вращение, квантовые описания объектов намного сложнее. Пока их характеристики не будут зафиксированы в моменте, людям придется относиться к объектам так, будто они размазаны по всему пространству, вращаются в разных направлениях и при этом не поддаются простому измерению.

Правила, управляющие этим множеством возможностей, называемые суперпозициями, предоставляют инженерам целый ряд возможностей. Их можно использовать для подсчета чисел, для связи или даже применять в сверхчувствительных устройствах для измерения и визуализации.

Однако каждое взаимодействие с окружающей средой так или иначе изменяет этот набор вероятностей. Квантовые компьютеры полагаются на спутанность частиц друг с другом для точной настройки их суперпозиций. Квантовые датчики используют точные взаимодействия между суперпозицией и окружающей средой для измерения параметров окружающего пространства.

Но стоит повысить температуру, и шум дрожащих атомов и ослепительный блеск электромагнетизма легко превратят слаженное гудение частиц в бесполезный комок скучного старого электрона. Это не проблема, если есть ресурсы для прокачки сверххолодных жидкостей через специальное оборудование, чтобы снизить уровень шума. Но ученые хотят снизить затраты, работая с приборами при температуре выше нуля.

Такие опыты проводились и раньше, в специально разработанных комплексах из металлов, которые сохраняют квантовые состояния в суперпозиции, но в течение ограниченного времени.

Исследователи впервые использовали материал другого типа, называемый металлоорганическим каркасом (МОФ). В эту структуру они встроили молекулы, называемые хромофорами, которые поглощают и излучают свет определенной длины волны. «МОФ в этой работе является уникальной системой, которая способна накапливать хромофоры. Кроме того, нанопоры внутри кристалла позволяют хромофору вращаться, но под очень ограниченным углом», — говорит Нобухиро Янаи, физик из Университета Кюсю.

При этом пары электронов в этих хромофорах с соответствующим спином вступают в новую структуру, которая работает в суперпозиции. Несмотря на то что это явление широко применяется в технологии солнечных батарей, его еще не использовали для целей квантового зондирования.

В эксперименте, проведенном под руководством Янаи, группа исследователей использовала микроволны для изучения электронов в их измененных состояниях и показала, что они могут оставаться когерентными в форме суперпозиции в течение примерно 100 миллиардных долей секунды при комнатной температуре. Эта продолжительность может быть увеличена при определенной настройке. «Это исследование может открыть двери для молекулярных квантовых вычислений при комнатной температуре», — считает Янаи.

Ранее корейские ученые сообщили о завершении модернизации дивертора KSTAR, что позволяет устройству работать в течение длительных периодов времени, поддерживая температуру плазмы выше 100 млн градусов. KSTAR — это экспериментальное устройство для сверхпроводящего термоядерного синтеза, предназначенное для изучения аспектов магнитного термоядерного синтеза, которые применяются на Международном экспериментальном термоядерном реакторе.