Запутанность – самое поразительное из квантовых явлений: две частицы могут существовать в состоянии идеальной взаимной корреляции, не имея при этом собственного состояния. Это десятилетиями сбивало с толку ученых и философов.
«Но сегодня запутанность является концепцией, наиболее важной для создания мощных квантовых компьютеров», – говорит профессор UNSW Андреа Морелло, руководитель команды, которая проводила исследование, опубликованное недавно в журнале Nature Communications.
Команда UNSW специализируется на создании квантовых компьютерных устройств, в которых информация закодирована в магнитной ориентации, или «спине», отдельных электронов, связанных с атомами фосфора, которые имплантированы внутрь почти обычного кремниевого чипа. Такой подход к созданию квантовых компьютеров очень перспективен: он сочетает в себе масштабную технологичность кремниевых компьютерных чипов – индустрию стоимостью в триллион долларов, лежащую в основе всего нашего цифрового мира – с крошечными размерами и естественным квантовым поведением атомов.
Доктор Холли Стемп, ведущий автор статьи, объясняет: «Спин атома фосфора является отличным квантовым битом. Но поскольку атомы настолько малы, нелегко заставить их «разговаривать» друг с другом, не говоря уже о том, чтобы создать настоящую квантовую запутанность. На самом деле, это первый случай, когда доказуемая запутанность была создана между двумя атомами кремния».
«Электроны – это не только частицы, но и волны, и когда две волны накладываются друг на друга, они порождают так называемое «обменное взаимодействие», которое мы использовали здесь для запутывания атомов».
Исходя из силы взаимодействия, исследователи подсчитали, что атомы находятся на расстоянии около 20 нанометров друг от друга, или 1/1000 толщины человеческого волоса.
Поскольку квантовая запутанность настолько неуловима и хрупка, демонстрация ее существования сама по себе является сложной задачей. Инженеры Университета Нового Южного Уэльса объединились с экспертами из Сандийских национальных лабораторий в США, чтобы разработать и применить сложные методы для количественной оценки «точности», то есть степени совершенства квантовых операций, используемых для запутывания атомов.
«Это не первый раз, когда предпринимаются попытки проведения таких операций, – говорит Стемп, – но это первый раз, когда они были достаточно совершенны, чтобы доказать, вне всяких сомнений, что между атомами существует запутанность».
Доказательство основано на создании «состояний Белла», названных в честь Джона Белла, который в 1964 году объяснил глубокий смысл квантовой запутанности, которая бросает вызов нашим взглядам на локальность и реальность. Прорыв также потребовал разработки специальных методов имплантации атомов в кремниевые чипы, операция, проведенная командой профессора Дэвида Джеймисона из Мельбурнского университета.
Морелло подчеркивает, насколько важен этот результат для работы квантового компьютера.
«Пытаясь простыми словами объяснить, что делает квантовые компьютеры мощными, люди часто цитируют квантовую суперпозицию «быть 0 и 1 одновременно», – говорит он.
«Но настоящим фактором, меняющим правила игры, является запутанность, потому что она позволяет нам создавать цифровые кодовые слова, которых на самом деле не существует в классическом компьютере».
Кроме того, запутанность – это «квантовая связь» между различными квантовыми битами, поэтому она является важным инструментом для масштабирования квантового компьютера.
«Мы хотим создавать квантовые компьютеры с использованием атомов, имплантированных в кремний», – говорит Стемп.
«Атомы малы и совершенны, и было бы удивительно, если бы мы могли работать с ними, используя методы, заимствованные из полупроводниковой промышленности стоимостью в триллион долларов, которая лежит в основе каждого цифрового устройства, которым мы пользуемся сегодня. Демонстрация квантовой запутанности между двумя атомами открывает функциональные возможности следующего поколения кремниевых квантовых компьютерных чипов».
