„Stejně jako mluvit po telefonu“ – Quantum Průlom umožňuje jednotlivým atomům chatovat jako nikdy předtím

Vědci spojili jaderné otočení uvnitř křemíkových čipů a označili skok směrem k škálovatelným kvantovým počítačům.

Inženýři na UNSW dosáhli velkého průlomu kvantové výpočetní techniky Vytvořením tzv. „Quantum zapletených států“. V tomto jevu se dvě částice stávají tak silně spojenými, že jejich chování již nelze popsat nezávisle na sobě. Tým toho dosáhl pomocí otočení dvou atomových jader, což je zdroj považovaný za nezbytný pro kvantové počítače k ​​překonání tradičních strojů.

Zjištění, zveřejněná v VědaOznačte zásadní krok k rozvoji kvantových počítačů, které jsou široce považovány za jeden z nejambicióznějších vědeckých a technologických hranic 21. století.

Podle hlavního autora Dr. Holly Stempová práce ukazuje cestu k budování budoucích kvantových mikročipů s již k dispozici technologií.

„Podařilo se nám učinit nejčistší a nejvíce izolované kvantové objekty spolu mluvit, v měřítku, ve kterém jsou v současné době vyrobena standardní silikonová elektronická zařízení,“ říká.

Ústřední potíží při navrhování kvantových počítačů bylo nalezení správné rovnováhy mezi dvěma protichůdnými požadavky: chránit jemné kvantové stavy před rušením a šumem, přičemž jim stále umožňuje interagovat, aby provedli výpočty. Tato výzva vysvětluje, proč různé typy kvantového hardwaru zůstávají v konkurenci. Některé systémy mohou provádět operace velmi rychle, ale jsou vysoce zranitelné vůči šumu, zatímco jiné jsou lépe chráněny před rušením, ale mnohem těžší kontrolovat a expandovat.

Tým UNSW investoval do platformy, která – dodnes – mohla být umístěna do druhého tábora. Použili jaderné rotace atomů fosforu, implantovaných do křemíkového čipu k kódování kvantových informací.

„Otočení atomového jádra je nejčistší a nejvíce izolovanou kvantovou objekt, který lze najít v pevném stavu,“ říká profesorka Scientia Andrea Morello, UNSW School of Electrical Engineering & Telecommunications.

„Během posledních 15 let naše skupina průkopnila všechny průlomy, díky nimž byla tato technologie skutečným uchazečem v kvantovém výpočetním závodě. Již jsme prokázali, že bychom mohli držet kvantové informace po více než 30 sekundách – věčnost v kvantovém světě – a provádět kvantové logické operace s méně než 1% chybami.

„Byli jsme první na světě, který toho dosáhl v silikonovém zařízení, ale to všechno přišlo za cenu: stejná izolace, díky níž je atomová jádra tak čistá, je obtížné je spojit dohromady ve velkém kvantovém procesoru.“

Až dosud byl jediný způsob, jak ovládat více atomových jader, aby byly umístěny velmi blízko u sebe uvnitř pevné látky a být obklopeny jedním a stejným elektronem.

„Většina lidí si myslí, že elektron jako na nejmenší subatomickou částici, ale kvantová fyzika nám říká, že má schopnost“ rozprostřete „ve vesmíru, aby mohl interagovat s více atomovými jádry,“ říká Dr. Holly Stemp, který provedl tento výzkum na UNSW a nyní je postdoktorandským výzkumníkem v S v Bostonu.

„Přesto je rozsah, kterým se může elektron šířit, poměrně omezený. Navíc přidání dalších jádra do stejného elektron je velmi náročné ovládat každé jádro jednotlivě.“

Atomová jádra mluvit prostřednictvím elektronických „telefonů“

„Metaforou by se dalo říci, že až dosud byla jádra jako lidé umístěni ve zvukotěsné místnosti,“ říká Dr. Stemp.

„Mohou spolu mluvit, pokud jsou všichni ve stejné místnosti, a konverzace jsou opravdu jasné. Ale zvenčí nic neslyší a je tu jen tolik lidí, kteří se vejde do místnosti. Tento způsob konverzace se„ nestaví.

„S tímto průlomem je to, jako bychom dali lidem telefonům, aby komunikovali s jinými místnostmi. Všechny pokoje jsou uvnitř stále pěkné a tiché, ale teď můžeme vést rozhovory mezi mnoha dalšími lidmi, i když jsou daleko.“

„Telefony“ jsou ve skutečnosti elektrony. Mark Van Blankenstein, další autor na papíře, vysvětluje, co se skutečně děje na sub-atomové úrovni.

„Podle jejich schopnosti šířit se ve vesmíru se mohou dva elektrony“ dotknout „dotýkat se navzájem v určité vzdálenosti. A pokud je každý elektron přímo spojen s atomovým jádrem, jádra to mohou komunikovat.“

Jak daleko od sebe byla jádra zapojena do experimentů?

„Vzdálenost mezi našimi jádry byla asi 20 nanometrů – tisícina šířky lidských vlasů,“ říká Dr. Stemp.

„To nezní jako moc, ale zvažte to: kdybychom upravili každé jádro na velikost člověka, vzdálenost mezi jádry by byla přibližně stejná jako mezi Sydney a Boston!“

Dodává, že 20 nanometrů je měřítkem, ve kterém jsou moderní silikonové počítačové čipy běžně vyráběny pro práci v osobních počítačích a mobilních telefonech.

„Právě teď máte v kapse nebo v tašce miliardy křemíkových tranzistorů, každý z nich je asi 20 nanometrů ve velikosti. Toto je náš skutečný technologický průlom: Získání našeho nejčistšího a nejvíce izolovaného kvantového předmětu, které spolu mluví o sobě ve stejném měřítku jako stávající elektronická zařízení. Jádra. “

Škálovatelná cesta vpřed

Navzdory exotické povaze experimentů vědci tvrdí, že tato zařízení zůstávají zásadně kompatibilní s tím, jak jsou postaveny všechny současné počítačové čipy. Atomy fosforu byly zavedeny do čipu týmem profesora Davida Jamiesona na University of Melbourne s využitím ultraparetních křemíkových desek dodávané profesorem Kohei Itoh na Keio University v Japonsku.

Odstraněním potřeby atomových jádra, která mají být připojena ke stejnému elektronu, tým UNSW zametal největší záložník k rozšiřování kvantových počítačů silikonu založených na atomových jádrech.

„Naše metoda je pozoruhodně robustní a škálovatelná. Zde jsme právě použili dva elektrony, ale v budoucnu můžeme dokonce přidat více elektronů a donutit je do prodlouženého tvaru, abychom ještě více rozložili jádra,“ říká prof. Morello.

„Elektrony se snadno pohybují a“ masírují „do tvaru, což znamená, že interakce lze rychle a přesně vypnout a přesně. To je přesně to, co je potřeba pro škálovatelný kvantový počítač.“

Reference: “Scale Entanglement of Nuclear Spres Mediated by Electron Exchange” by Holly G. Stemp, Mark R. Van Blankenstein, Serwan Asaad, Mateusz T. Mądzik, Benjamin joecker, Hannes R. Furge, Arne Laucht, Fay E. Hudson Laucht, Andrew S. Dzurak, Kohei M. Itoh, Alexander M. Jakob, Brett C. Johnson, David N. Jamieson a Andrea Morello, 18. září 2025, Věda.
Doi: 10.1126/science.ady3799

Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
Sledujte nás Google a Google News.