Ученые упростили процесс создания атомных часов и квантовых компьютеров

Российские ученые предложили новый способ, позволяющий существенно упростить процесс манипуляций с заряженными атомами и приблизить тот день, когда квантовые устройства превратятся из лабораторных прототипов в коммерчески доступные приборы. Со статьей можно ознакомиться в журнале Applied Physics Letters. Проект поддержан грантом Российского научного фонда.

Квантовый компьютер в перспективе способен за секунды решать задачи, на которые даже суперкомпьютеры должны потратить тысячи лет. Такие высокие вычислительные способности обеспечиваются неопределенной природой его составляющих. В обычном компьютере вся информация представлена в виде набора нулей и единиц – битов. Квантовые биты, или кубиты, несут в себе информацию о всей совокупности состояний между нулем и единицей. Если представить нулевой бит как белый шарик, а единицу – как черный, то кубит будет шариком с градиентом от белого до черного через все оттенки серого. Вместо подстановки в каждый бит единиц или нулей и перебора всех возможных состояний, в квантовом компьютере сразу получаются все варианты.

Другой пример использования квантовых свойств атомов – это атомные часы. В обычных механических часах время отсчитывается при помощи маятника, который качается из стороны в сторону каждую секунду. Если по каким-то причинам маятник начинает качаться быстрее или медленнее часы начинают спешить или опаздывать. В атомных же часах роль маятника выполняет электрон, вращающийся вокруг ядра. Так как скорость вращения электрона определяется лишь фундаментальными законами микромира, то точность таких часов намного превышает их механические аналоги. Наиболее впечатляющим применением сверхточных часов являются спутниковые системы навигации, такие как GPS и ГЛОНАСС.

Изолированные частицы, служащие основой всех квантовых устройств, можно получать при помощи лазерной или радиочастотной ловушки. Для этого требуется доставить атом требуемого вещества в зону захвата и оторвать от него электрон. Как только атом теряет электрон, он тут же оказывается захвачен ловушкой. Обычно отрыв осуществляется бомбардировкой атома пучком электронов или световых частиц, разогнанных до больших скоростей. Они словно пушечные ядра ударяют по атому, выбивая из него один или несколько его собственных электронов. Для этого нужна так называемая электронная пушка, ухудшающая степень вакуума в системе, или сложная и дорогостоящая система лазеров.

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева предложили способ обойтись без обеих систем. Они нанесли на поверхность ловушки специальное покрытие из магния и иттрия, которое эффективно испускает электроны под действием синего или ультрафиолетового света. Эти электроны ускоряются самой ловушкой и обеспечивают бомбардировку атомов. В такой системе для загрузки ионов в ловушку достаточно всего лишь облучить покрытие ультрафиолетовым светодиодом, который может быть куплен в любом радиотехническом магазине.