Достигнута квантовая запутанность между двумя разнесенными атомами

Квантовое состояние запутанности возникает, когда отдельные, разделенные расстоянием частицы становятся настолько тесно связанными, что перестают вести себя независимо. Ученые из Австралии успешно создали такое состояние между двумя атомами фосфора в кремнии, использовав в качестве соединительного моста электроны. Это важный шаг к создании крупномасштабных квантовых компьютеров — одной из самых интересных научно-технических задач XXI века.

«Большинство людей считают электрон мельчайшей субатомной частицей, но квантовая физика утверждает, что он способен распространяться в пространстве, взаимодействуя с несколькими атомными ядрами, — сказала Холли Стемп из Университета Нового Южного Уэльса, руководитель исследования. — Даже в этом случае диапазон распространения электрона весьма ограничен. Более того, добавление большего количества ядер к одному и тому же электрону значительно усложняет управление каждым ядром по отдельности».

Тем не менее, ученые из команды Стемп создали квантовые запутанные состояния, используя спины двух атомных ядер, пишет IE. Им удалось заставить самые чистые, наиболее изолированные квантовые объекты взаимодействовать друг с другом в масштабах, в которых сегодня изготавливают стандартные кремниевые электронные устройства.

Ученые продемонстрировали двухкубитный логический квантовый вентиль (контролируемую Z) между ядрами двух атомов фосфора, находящихся на расстояние до 20 нм, внутри кремниевого устройства. Каждый атом соединен с отдельными электронами, взаимодействие которых служит связующим звеном для двухкубитного вентиля. Благодаря своей способности распространяться в пространстве два электрона могут «касаться» друг друга на довольно большом расстоянии. А если каждый электрон напрямую связан с атомным ядром, ядра могут общаться через него.

«Мы подготовили и измерили состояние Белла с точностью 76−5+5% и согласованностью 0,67−0,05+0,05. Благодаря этому методу будущий прогресс в масштабировании полупроводниковых спиновых кубитов может быть расширен до разработки квантовых компьютеров на основе ядерного спина», — написал авторы исследования.

Исследователи также отметили, что метод чрезвычайно надежен и легко масштабируется. Если сейчас они использовали всего два электрона, то в будущем смогут увеличить их количество и заставить электроны принимать вытянутую форму, чтобы разнести ядра на еще большее расстояние.

Возможность выполнять основные операции преобразования, не опасаясь сбоев, — важное условие появления производительных квантовых компьютеров. Международная группа исследователей разработала полный комплект квантовых вентилей, базовых элементов квантового компьютера, с низкой вероятностью ошибки. В некоторых условиях она достигает 0,001%.