Квазикристаллы будущего: зримые образы квантового будущего

Ученые научили квантовые компьютеры противостоять тепловому шуму, моделировать самые сложные материалы, состояния и даже фотографировать частицы, танцующие в сверхпроводниках. Здесь приоткрыли дверь, там расковыряли дырочку, тут расширили щель — глядишь, и квантовое будущее стало зримым.

Корректор не нужен

Ученые Калифорнийского технологического института, Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) и Исследовательского института «Хон Хай» на Тайване утверждают, что разработали трехмерную квантовую систему, способную хранить информацию в течение экспоненциально больших периодов без необходимости корректировать ошибки. То есть реализовали то, что большинство физиков считали невозможным. Если результаты работы, опубликованной на сервере препринтов arXiv, подтвердятся, это значительный шаг к стабильным квантовым системам хранения данных.

Современные квантовые компьютеры требуют непрерывной коррекции ошибок, поскольку квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к шуму, вызванному теплом, излучением и взаимодействием с окружающей средой. Системы ищут и исправляют ошибки, что приводит к большим расходам на дополнительные кубиты и энергоемкие системы управления. По словам разработчиков, их система противостоит тепловому шуму благодаря физическим свойствам материала, из которого сделана система, а не внешнему вмешательству. Другими словами, система естественным образом защищает хрупкую квантовую информацию от тепла и шума.

Сверхмуаровый эффект

Спросите любого, зачем нам квантовые компьютеры, и обязательно услышите: «Чтобы моделировать новые материалы с заданными свойствами». Но чтобы создать такие вычислители, нужны новые материалы с заданными свойствами — порочный круг.

Например, квазикристаллы со сверхмуаровым эффектом — материалы, получаемые наложением друг на друга слоистых двумерных структур под определенными углами, — открывают путь к управлению квантовыми состояниями. Моделирование таких материалов требует обработки огромных объемов данных. В случае квазикристаллов речь идет о квадриллионах чисел, что значительно превышает возможности самых мощных суперкомпьютеров.

В Финляндии разработали алгоритм, который в корне меняет подход к изучению некоторых сложнейших материалов. Метод тензорных сетей, вероятно, самый эффективный на сегодня способ компактно описывать сложные системы. Алгоритм рассчитал поведение квазикристалла, состоящего из 268 млн (!) узлов. Все тесты позади, ждем появления мощного и надежного квантового компьютера, чтобы загрузить в него этот алгоритм и начать моделировать материалы для квантового компьютера…

Парные танцы при нуле

Ученые впервые увидели, как ведут себя пары частиц в сверхпроводящих материалах. Оказалось, что реальность сильно отличается от предположений. Доминировавшая с середины 1950-х годов теория Бардина — Купера — Шриффера говорила, что при сверхнизкой температуре электроны объединяются по двое и передвигаются в проводнике, как пары на балу. Но вот вопрос о том, как взаимодействуют эти пары и взаимодействуют ли вообще, теория обходила стороной.

Физики Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Института Флетайрон в США решили все же применить «широкоугольный объектив» и посмотреть сразу на весь «бальный зал». С помощью новой техники они впервые сфотографировали квантовый «танец». Ученые работали с газом атомов лития, охлажденным почти до абсолютного нуля. При экстремальных температурах атомы ведут себя как фермионы и служат идеальной моделью для изучения сверхпроводимости.

Оказалось, что между парами есть взаимодействие, которого теория Бардина — Купера — Шриффера просто не учитывает. Узнав механизм этого взаимодействия, ученые смогут точнее настраивать инструменты для исследования более сложных систем. Среди таких систем могут быть новые формы материи, которые позволят создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Если это удастся, то электричество можно будет передавать без потерь, компьютеры станут гораздо мощнее, а энергосистемы — намного эффективнее.

Отряд не заметит потери бойца

В Японии нашли способ изучить W-состояния всего за один шаг. W-состояниями в квантовой механике называют особый тип многочастичной квантовой запутанности. Они описывают устойчивую связь между тремя и более кубитами. В отличие от GHZ-состояний, где утрата одной частицы разрушает всю систему, в W-состоянии запутанность сохраняется и после потери «бойца». Это делает такие состояния идеальными, например, для квантовой связи. Но чтобы традиционными методами разобраться, в каком именно W-состоянии находится система, требуется множество измерений — чем больше частиц, тем измерения дольше.

Физики Киотского и Хиросимского университетов обратили внимание на скрытую закономерность внутри W-состояний — так называемую симметрию циклического сдвига. Простыми словами: если переставить фотоны местами, общее состояние не меняется. Ученые создали оптическое устройство, по сути, фотонный компьютер, которое «видит» эту симметрию и определяет состояние за одно измерение. Эксперименты с тремя фотонами подтвердили: метод работает. Авторы статьи в Science Advances утверждают, что их метод — это рывок в квантовых технологиях в нескольких направлениях сразу: распределенные квантовые вычисления обретут новые формы; квантовая телепортация станет проще и надежнее; защищенные квантовые сети — устойчивее к потере сигнала. Осталась самая малость — встроить эту технологию в компактные фотонные чипы.