Учёные из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) совершили революционный шаг в квантовой физике: они создали запутанные состояния атомных ядер, позволив им взаимодействовать на расстоянии, сравнимом с размерами современных микрочипов. Это достижение, опубликованное в журнале Science, приближает эру масштабируемых квантовых компьютеров, использующих ядра атомов как носители информации.

Квантовая запутанность: что это?

Квантовая запутанность — это феномен, при котором два объекта становятся связанными так, что изменение состояния одного мгновенно влияет на другой, независимо от расстояния. Это основа квантовых вычислений, где информация хранится и обрабатывается в кубитах — квантовых аналогах битов. Ядра атомов — идеальные кубиты благодаря их стабильности и защите от внешних помех, но их изоляция затрудняла взаимодействие.

«Ядра атомов — самые чистые и изолированные квантовые объекты, но эта изоляция мешала их объединению в системы», — пояснила доктор Холли Стемп, ведущий автор исследования.

Как заставить ядра «говорить»?

Команда решила эту проблему, используя электроны как посредников. Электроны, в отличие от ядер, могут «растекаться» в пространстве, передавая квантовую информацию между ядрами, находящимися на расстоянии около 20 нанометров — примерно в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса.

«Представьте, что ядра — это люди, стоящие на расстоянии от Сиднея до Бостона. Мы научили их общаться через электроны, как по телефону», — добавила Стемп.

Это расстояние критично: оно совпадает с размером транзисторов в современных кремниевых чипах (7–20 нм), что делает открытие совместимым с существующей полупроводниковой индустрией.

Почему это прорыв?

До сих пор инженеры сталкивались с дилеммой: кубиты должны быть защищены от внешнего шума, но при этом взаимодействовать для вычислений. Ядра атомов идеальны для хранения данных, но их «общение» было проблемой. Новый метод позволяет:

  • Создавать запутанные состояния между ядрами на расстоянии.
  • Интегрировать квантовые системы в кремниевые чипы.
  • Использовать существующие технологии производства процессоров.

«Мы заставили квантовые объекты работать вместе на масштабе, уже освоенном микроэлектроникой», — подчеркнула Стемп.

Профессор Андреа Морелло, соавтор исследования, отметил, что это снимает главное препятствие для масштабирования квантовых компьютеров на базе атомных ядер. Теперь их можно производить на тех же линиях, что и современные процессоры.

Что дальше?

Открытие открывает путь к созданию масштабируемых квантовых компьютеров, которые будут:

  • Более устойчивы к шуму благодаря ядерным кубитам.
  • Совместимы с текущими технологиями производства.
  • Способны выполнять сложные вычисления, недоступные классическим компьютерам.

Учёные планируют усовершенствовать метод, увеличивая число запутанных ядер и тестируя его в реальных чипах. Это может привести к созданию квантовых процессоров, которые превзойдут суперкомпьютеры в задачах моделирования, криптографии и искусственного интеллекта.

Вкратце…

Впервые в истории физики атомные ядра научили «общаться» на расстоянии 20 нанометров, используя электроны как посредников. Этот прорыв, совершённый в Австралии, делает квантовые компьютеры на базе ядер реальностью, совместимой с современными чипами. Открытие приближает нас к новой эре вычислений, где квантовые технологии станут частью повседневной жизни.