Древний намибийский камень может стать ключом к созданию квантовых компьютеров

Один из способов полностью реализовать потенциал квантовых компьютеров - сделать их основой одновременно свет и материю: таким образом, информация может храниться и обрабатываться, а также перемещаться со скоростью света.

Ученые только что сделали еще один шаг к этой цели, успешно создав самые большие гибридные частицы света и материи из когда-либо созданных.

Эти квазичастицы, известные как поляритоны Ридберга, были получены с помощью куска камня с кристаллами оксида меди (Cu2O) из древнего месторождения в Намибии, одного из немногих мест в мире, где оксид меди был найден в качестве драгоценного камня.

Кристалл, извлеченный из камня, был отполирован, истончен до толщины менее человеческого волоса и помещен между двумя зеркалами для улавливания света, что привело к появлению поляритонов Ридберга, в 100 раз превышающих все ранее наблюдавшиеся.

Это достижение приближает нас к созданию квантового симулятора, который сможет работать на основе этих поляритонов Ридберга, используя квантовые биты или кубиты для хранения информации в виде 0, 1 и множества значений между ними, а не только 1 и 0 в классических вычислительных битах.

"Создание квантового симулятора с помощью света - это святой Грааль науки", - говорит физик Хамид Охади из Университета Сент-Эндрюс в Великобритании.

"Мы сделали огромный скачок к этому, создав поляритоны Ридберга, ключевой ингредиент".

Особенностью поляритонов Ридберга является то, что они постоянно переходят от света к веществу и обратно. Исследователи сравнивают свет и материю с двумя сторонами одной монеты, и именно на стороне материи поляритоны могут взаимодействовать друг с другом.

Это важно, потому что частицы света движутся быстро, но не взаимодействуют друг с другом. Материя движется медленнее, но она способна взаимодействовать. Объединение этих двух способностей может помочь раскрыть потенциал квантовых компьютеров.

Эта гибкость имеет решающее значение для управления квантовыми состояниями, которые остаются неопределенными до тех пор, пока их не наблюдают. До создания полностью функционирующего квантового компьютера на основе этой технологии еще далеко, но сейчас мы как никогда близки к тому, чтобы собрать такой компьютер.

Поляритоны Ридберга образуются в результате сцепления экситонов и фотонов. Именно здесь и находится древний драгоценный камень из Намибии: Оксид меди является сверхпроводником, материалом, который позволяет электронам течь без сопротивления - и предыдущие исследования показали, что он содержит гигантские экситоны Ридберга.

Экситоны - это электрически нейтральные квазичастицы, которые при соответствующих условиях могут вступать в связь с частицами света. Эти большие экситоны, обнаруженные в оксиде меди, могут соединяться с фотонами в специальной установке, известной как микрополости Фабри-Перо - по сути, зеркальном сэндвиче.

Это стало ключевым элементом в создании больших поляритонов Ридберга.

"Приобрести камень на eBay было просто", - говорит физик Сай Киран Раджендран из Университета Сент-Эндрюса. "Сложность заключалась в том, чтобы сделать поляритоны Ридберга, которые существуют в чрезвычайно узком цветовом диапазоне".

Когда удастся создать полностью работоспособные квантовые компьютеры - возможно, с использованием этих поляритонов Ридберга, - экспоненциальное увеличение вычислительной мощности позволит им выполнять сложнейшие вычисления, выходящие за рамки возможностей современных компьютеров.

В качестве примера исследователи приводят разработку высокотемпературных сверхпроводящих материалов и более глубокое понимание того, как складываются белки (что потенциально может повысить нашу способность производить лекарства).

Методы, описанные в новом исследовании, должны быть усовершенствованы, чтобы эти частицы можно было использовать в квантовых схемах, но основы уже есть, и команда считает, что их результаты могут быть улучшены и в будущем.

"Эти результаты прокладывают путь к реализации сильно взаимодействующих экситон-поляритонов и исследованию сильно коррелированных фаз материи с помощью света на чипе", - пишут исследователи в своей статье.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.