25 апреля 2022

Найден природный материал, идеальный для квантовых компьютеров следующего поколения

Международная группа исследователей США, Шотландии, Австралии и Дании добилась успеха в создании специальной формы света-материи, которая может стать ключевым компонентом квантовых компьютеров и симуляторов. Интересен тот факт, что получение так называемых поляритонов Райдберга (Rydberg polaritons), самых больших гибридных квазичастиц света и материи, было выполнено при помощи кристалла куприта (оксида меди (I), Cu2O) естественного происхождения, добытого в Намибии.

Поляритоны Райдберга постоянно переключаются из одного состояния в другое, из света в материю и наоборот. Эти две составных части поляритонов представляются собой нечто вроде двух сторон монеты, и сторона, олицетворяющая материю, позволяет поляритонам взаимодействовать друг с другом.

Взаимодействие поляритонов Райдберга имеет важное значение из-за того, что при его помощи можно создать квантовые симуляторы, специальные типы квантовых компьютеров, в которых информация хранится и обрабатывается в квантовых битах, кубитах. Кубиты квантового симулятора, в отличие от традиционных битов, могут принимать любое значение между 0 и 1, включительно. Поэтому в них может быть заключено большее количество информации, и они могут выполнять несколько операций одновременно.

Такие возможности кубитов позволяют квантовым симуляторам рассчитывать самые сложные задачи из областей физики, химии и биологии. Сейчас подобные системы используются для поисков высокотемпературных сверхпроводников, для моделирования процессов сворачивания белков, для разработки более эффективных лекарственных препаратов и т.п.

Для того, чтобы начать "массовое производство" поляритонов Райдберга ученые направили свет в резонансную полость между двумя зеркалами, имеющими очень высокий коэффициент отражения. В центре этой полости был расположен кристалл куприта, толщина которого была равна 30 микронам и плоскости которого были тщательно отполированы. При правильном расположении зеркал, положении кристалла и правильной длине волны света, в зазоре между зеркалами начали интенсивно формироваться поляритоны Райдберга со скоростью, в 100 раз большей скорости, полученной в других подобных экспериментах.

"Покупка необходимого нам камня на аукционе eBay была самой легкой частью наших экспериментов" - пишут исследователи, - "Гораздо трудней было добиться устойчивой генерации поляритонов Райдберга, существующих только в пределах очень узкого цветового диапазона".

В настоящее время ученые занимаются совершенствованием метода генерации и управления поляритонами Райдберга с целью их использования в качестве ключевых компонентов фотонных квантовых схем. А дальше на основе нескольких типов "стандартных" квантовых схем можно будет строить квантовые симуляторы любого уровня сложности.