Калтех: движение атомов стало ключом к новым квантовым технологиям

Фото из открытых источников

Ученые из Калифорнийского технологического института (Калтех) разработали новый подход к квантовым вычислениям, используя движение атомов в качестве ресурса для обработки информации, сообщает Innovanews. Ранее тепловые колебания атомов считались помехой, затрудняющей точное управление квантовыми системами, однако команда под руководством физика Мануэля Эндреса сумела обратить этот эффект в преимущество. В своих экспериментах исследователи применяли оптические пинцеты — лазерные ловушки, которые позволяют захватывать и перемещать отдельные атомы в массиве, что дало возможность изучать и контролировать сложные квантовые явления.

Ключевым достижением стало создание так называемой гиперзапутанности, при которой одновременно связываются несколько характеристик атома — не только его внутренние состояния, но и движение. Это расширяет возможности квантового кодирования, позволяя хранить и обрабатывать значительно больше информации на единицу квантового объекта. По словам одного из авторов исследования, Адама Шоу, «то, что раньше считалось шумом и мешало экспериментам, теперь превратилось в полезный инструмент». Вместе с коллегами Паскалем Шоллом и Раном Финкельштейном он продемонстрировал, как колебания атомов можно связать с их электронными состояниями, что открывает новые горизонты для квантовых вычислений и сверхточных измерений.

Эксперимент проводился при экстремально низких температурах, когда атомы охлаждались почти до состояния полной неподвижности с помощью методов, напоминающих мысленный эксперимент Максвелла с демоном, сортирующим частицы. После этого атомы приводили в колебательное движение с амплитудой порядка 100 нанометров, создавая состояние суперпозиции, при котором атом одновременно колеблется в двух направлениях. Мануэль Эндрес объясняет это так: «Представьте ребенка на качелях, который одновременно раскачивается в обе стороны — в классической физике это невозможно, а в квантовом мире это становится новым ресурсом для вычислений».

Достижение позволяет значительно расширить контроль над квантовыми системами, поскольку гиперзапутанность дает возможность кодировать больше данных на один атом, что критично для развития квантовых компьютеров. Кроме того, разработанные методы охлаждения и управления движением атомов могут улучшить точность атомных часов и повысить чувствительность прецизионных сенсоров. Несмотря на впечатляющие результаты, ученые отмечают, что масштабирование технологии на тысячи атомов без потери когерентности остается серьезной задачей. В настоящее время эксперименты проводятся в строго контролируемых лабораторных условиях, где удается минимизировать влияние внешних шумов и декогеренции.