С приставкой «супер-»: обзор новостей квантовой физики

Изучение суперхимии открывает дорогу к ускорению химических реакций, а суперпарамагнетизма — ​к созданию очень мощных и быстрых компьютеров, работающих при комнатной температуре. Подробности — ​в обзоре новостей квантовой физики.

Пары-тройки

Ученые Чикагского университета (США) под руководством профессора Чен Чина впервые наблюдали квантовую суперхимию в лабораторном эксперименте. Исследователи уверены: если мы хорошо изучим квантовую суперхимию, то сможем ускорять химические реакции и улучшить квантовые вычисления.

В классической химии считается, что атомы в смеси движутся хаотично, могут столкнуться, а могут и не столкнуться. При каждом столкновении есть шанс, что атомы соединятся, образовав нужную ученому молекулу, но гарантий никаких. Теоретики давно предположили, что в квантовом состоянии атомы станут более предсказуемыми, а реакции между ними будут проходить быстрее. В Чикагском университете доказали это на практике. Охладили атомы цезия до температуры, близкой к абсолютному нулю, те перешли в одинаковое квантовое состояние и стали работать в команде — ​именно так, как предсказывала теория квантовой суперхимии. Химические реакции протекали намного быстрее, чем в обычных условиях.

Также ученые заметили, что взаимодействие трех атомов происходит чаще, чем двух, и при столкновении трех атомов два соединяются, образуя молекулу, а третий каким-то образом помогает процессу.

По словам авторов исследования, все молекулы, которые получаются в итоге, находятся в одном и том же состоянии, что полезно для создания больших партий идентичных молекул. Их предлагают, в частности, использовать в качестве кубитов в квантовых вычислительных устройствах.

Квантовое потепление

Охладить до экстремальной температуры — ​самый распространенный способ заставить частицы проявлять квантовые эффекты, поэтому квантовые вычислительные устройства нуждаются в мощных (и весьма дорогих) системах охлаждения. В Техасском университете в Эль-Пасо (США) заявили, что придумали магнитный материал, позволяющий манипулировать кубитами при комнатной температуре. Материал трехслойный: аминоферроцен — ​металлоорганическое соединение, содержащее железо, — ​помещается между двумя листами из оксида графена. Полученное вещество обладает суперпарамагнетизмом — ​свойством, которое позволит управлять движением частиц в нем, регулируя внешнее магнитное поле.

А японские физики добились квантовой стабильности при комнатной температуре в молекуле красителя, встроенной в металлоорганический каркас. Они использовали хромофор — ​органический краситель, содержащий функциональную группу атомов, способную поглощать свет определенной длины волны. Хромофор окружает каркас из нанопористого кристаллического материала. Воздействуя на молекулу микроволновым излучением, ученые привели электроны в состояние квантовой когерентности и удерживали более 100 наносекунд.

Фотонные инь и ян

Команда ученых из Оттавского университета (Канада) и Римского университета Сапиенца визуализировала квантовую запутанность, использовав метод бифотонной голографии. Голография позволяет построить трехмерное изображение с двумерной поверхности на основе излучаемого предметами света. Камера с временной меткой отсняла с разрешением порядка наносекунды на каждом пикселе пару запутанных фотонов, визуализировав их «танец» в реальном времени. Картинка напоминает символ инь и ян. Такие голограммы позволят определять волновую функцию запутанных квантовых частиц, что необходимо для точного предсказания их поведения.

Первый модульный компьютер IBM

Корпорация представила новейший 133‑кубитный квантовый процессор Heron и первый модульный квантовый компьютер IBM Quantum System Two на его базе. Основное преимущество модульных квантовых компьютеров заключается в том, что их можно постоянно модифицировать, добавляя процессоры, серверы и проч.

Главный квантовый архитектор IBM Маттиас Стеффен отметил: «Heron — ​наш самый производительный квантовый процессор на сегодня, он обеспечивает пятикратное снижение ошибок по сравнению с флагманским устройством Eagle. Этот путь мы прошли за четыре года. Heron разработан модульным и масштабируемым».

Вдобавок IBM анонсировала Condor — ​первый в мире квантовый процессор на 1121 кубите. Само по себе увеличение количества кубитов значительно не скажется на мощности процессора — ​требуются изменения архитектуры, чтобы в числе прочего сократить частоту ошибок. Тем не менее плотность кубитов у Condor будет на 50 % выше по сравнению с предшественниками.