Синицы в руках: обзор достижений в сфере квантовых технологий

За последние месяцы произошло много фундаментальных открытий, которые я мог бы назвать значимыми или даже сенсационными. Но мы же хотим не журавлей в небе — ​нам подавай синиц в руках, и желательно поскорее. Нам уже вчера нужны квантовый компьютер, квантовая сеть, квантовый сенсор. И чтобы все работало без ошибок. Что ж, мир идет к этому хоть и не семимильными шагами, но довольно бодро.

Одинокие фотоны в оптоволокне

Ученые Университета Рочестера и Рочестерского технологического института (США) организовали дальнюю квантовую связь между своими кампусами на основе экспериментальной квантовой коммуникационной сети с двумя оптоволоконными кабелями. В журнале Optica Quantum команда презентовала сеть Rochester Quantum Network (RoQNET), в которой информацию по оптоволокну длиной около 11 миль (чуть больше 17 км) передавали одиночные фотоны. Особо подчеркнули авторы тот факт, что связь осуществлялась при комнатной температуре и на оптических длинах волн.

Фотоны в квантовой связи считаются самыми перспективными, так как наиболее совместимы с оптоволоконной инфраструктурой, которой охвачен уже практически весь земной шар. Правда, нужны громоздкие и дорогостоящие детекторы одиночных фотонов, но ученые надеются устранить этот барьер и уже строят амбициозные планы подключить RoQNET в Брукхейвенской национальной лаборатории, Университете Стоуни-Брук, Исследовательской лаборатории ВВС и Нью-Йоркском университете — ​все в пределах штата Нью-Йорк.

В чем сила, брат?

«Сила в правде», — ​могли бы повторить за культовым Данилой Багровым ученые-квантовики. Они давно смирились с тем, что квантовый вычислитель силен и ценен не числом кубитов, а безошибочностью. В Оксфордском университете (Великобритания) установили новый мировой рекорд квантовой точности. Как следует из статьи в журнале Physical Review Letters, уровень «неправды» составил 0,000015 %. Это одна ошибка на 6,7 млн операций! Для сравнения: вероятность попадания молнии в человека в течение года — ​1 : 600 000. Так что заявление соавтора статьи профессора Дэвида Лукаса не выглядит бахвальством: «Насколько нам известно, это самая высокая точность операций с кубитом, когда‑либо зафиксированная в мире».

В качестве кубита использовался ион кальция. Управлял квантовым состоянием не лазер, как обычно, а электронные микроволновые сигналы. Этот метод, утверждают британские ученые, дешевле, надежнее, обеспечивает большую стабильность и проще «интегрируется» в чипы для улавливания ионов. Сейчас исследователи ставят перед собой следующую задачу — ​«уточнить» двухкубитные вентили. Они по-прежнему часто ошибаются — ​около одного раза на 2 тыс. операций в лучших на сегодняшний день демонстрационных образцах.

Держи кубиты в холоде

В Технологическом университете Чалмерса (Швеция) разработали сверхэффективный усилитель, который включается только тогда, когда приходит время считывать данные с кубитов. Как утверждают ученые в журнале IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, благодаря интеллектуальной импульсной конструкции усилитель потребляет на 90 % меньше мощности, чем другие модели высшего уровня.

Считывание хрупких состояний кубита — ​архисложная задача. Под нее и заточены сверхчувствительные микроволновые усилители в квантовых компьютерах, которые преобразуют слабые сигналы в нечто доступное процессору. Но, как вы понимаете, чем мощнее усилитель и чем дольше он работает, тем больше от него тепла. А тепло — ​это враг номер один для квантовых компьютеров. Даже незначительные перепады температуры или паразитные электромагнитные помехи могут вывести кубит из хрупкого состояния в процессе, известном как декогеренция, и уничтожить данные. Шведы пошли по пути рациональной экономии. В отличие от других малошумящих усилителей, их прибор включен не все время, а работает в импульсном режиме. Попутно ученые решили задачу практически мгновенного входа устройства в рабочий режим и оперативного отключения. «Мы использовали генетическое программирование для интеллектуального управления усилителем. В результате он реагирует на входящий импульс кубита всего за 35 наносекунд», — ​пишет Инь Цзэн, один из авторов разработки.

Сам себе наномаяк

Квантовая и наносенсорика на слуху у всех. Создать суперточный, суперчувствительный и при этом суперкомпактный измерительный инструмент — ​это ли не мечта? Увы, все упирается в комплектующие. Вот пример — ​оптические биосенсоры. Они регистрируют свет, направленный на молекулы, и по изменению излучения делают те или иные выводы. Такие сенсоры — ​важнейший инструмент высокоточных медицинских тестов, подбора индивидуальных методов лечения и контроля состояния окружающей среды. Сейчас идет гонка за компактизацию: чем меньше эти датчики и источники излучения, тем содержательнее результаты тестов. Увы, уменьшение оптики обычно требует применения настолько больших и дорогих лазерных установок и детекторов, что портативные или экспресс-тесты становятся практически невозможными. И вот радостная весть из Швейцарии: создан революционный биосенсор, которому не нужен источник света.

Инженеры Федеральной политехнической школы Лозанны предложили хитроумное решение — ​заменить внешний источник света «квантовой механикой». Их чип использует явление неупругого туннелирования электронов. В журнале Nature Photonics описана наноструктура в основе биосенсора. Электрон, проходящий через нее, преодолевает барьер из оксида алюминия, достигает сверхтонкого слоя золота и при этом передает часть своей энергии коллективному возбуждению, называемому плазмоном, которое испускает фотон. Фотон контактирует с биомолекулами, а сенсор регистрирует изменения интенсивности и спектра этого света. «Испытания показали, что наш самосветящийся биосенсор способен обнаруживать аминокислоты и полимеры в концентрациях порядка пикограмма (одна триллионная грамма)», — ​пишет руководительница лаборатории бионанофотонных систем Хатидже Алтуг. Для обнаружения требуется менее 1 мм² активной области, что открывает широкие возможности для портативных биосенсоров.