Ученые научились управлять квантовым состоянием отдельных электронов: Это может привести к прорыву в квантовых вычислениях

Физики из Университета Регенсбурга разработали метод манипуляции квантовым состоянием индивидуальных электронов с использованием микроскопа с атомным разрешением. Результаты исследования были опубликованы в престижном журнале Nature. Это открытие потенциально имеет важное значение для области квантовых вычислений.

Мир вокруг нас состоит из молекул, и даже самая мельчайшая пылинка содержит несметное количество молекул. Удивительно, что сегодня мы обладаем возможностью изучать не только молекулы, но даже атомы, из которых они состоят, с высокой точностью, используя атомно-силовой микроскоп. Этот новейший изобретенный физиками прибор называется "атомно-силовым микроскопом". В отличие от оптического микроскопа, атомно-силовой микроскоп работает по другим принципам: его функциональность основана на чувствительности к мельчайшим силам между кончиком прибора и изучаемой молекулой. Такой метод исследования позволяет получить "изображение" внутренней структуры молекулы. Однако, наблюдая за молекулой таким образом, невозможно с уверенностью утверждать, что этот метод позволяет узнать все ее свойства, так как в настоящее время сложно определить, из каких атомов она состоит.

К счастью, существуют и другие инструменты, которые позволяют определить состав молекул. Один из таких методов - электронный спиновый резонанс, который основан на тех же принципах, что и магнитно-резонансная томография в медицине. Однако для получения достаточно сильного сигнала для обнаружения обычно требуется огромное количество молекул. Таким образом, доступ к свойствам каждой молекулы невозможен, а только к их средним значениям.

Исследователи из Университета Регенсбурга под руководством профессора доктора Яши Реппа (Jascha Repp) из Института экспериментальной и прикладной физики успешно интегрировали электронный спиновый резонанс в атомно-силовую микроскопию. Особенно стоит отметить, что электронный спиновый резонанс регистрируется напрямую с помощью кончика микроскопа, поэтому сигнал поступает только от отдельной молекулы. Это позволяет ученым характеризовать отдельные молекулы и даже определить, из каких атомов состоит изучаемая молекула. Лисанн Селлиес (Lisanne Sellies), первый автор этого исследования, добавляет, что они даже смогли различить молекулы, отличающиеся не только типом атомов, из которых они состоят, но и их изотопами - составом ядер атомов.

 «Однако ещё более захватывающей кажется нам другая перспектива, предлагаемая электронным спиновым резонансом», — поясняет профессор Репп. — «Эта технология может использоваться для управления спин-квантовым состоянием электронов, присутствующих в молекуле». На иллюстрации это иллюстрировано маленькими цветными стрелками. Но почему это так интересно?

Квантовые компьютеры сохраняют и обрабатывают информацию, закодированную в квантовом состоянии. Для выполнения вычислений квантовым компьютерам необходимо манипулировать квантовым состоянием, избегая потери информации из-за явления, известного как декогеренция. Следует отметить, что декогеренция представляет собой процесс нарушения когерентности (связи между двумя квантово запутанными частицами), вызванный взаимодействием квантово-механической системы с окружающей средой и являющийся необратимым с точки зрения термодинамики.

Исследователи из Регенсбурга продемонстрировали, что с использованием своего нового метода они могут многократно управлять квантовым состоянием спина внутри одной молекулы перед тем, как это состояние разрушится. Поскольку метод микроскопии позволяет получать изображения отдельных участков молекулы, новый подход может помочь разобраться в том, как декогеренция в квантовом компьютере зависит от атомного окружения и, в конечном итоге, как ее предотвратить. Это является шагом к более простым, а главное, более точным квантовым вычислениям.