Американские физики сделали шаг на пути к компьютерам нового поколения

05.06.2009

Американские физики впервые продемонстрировали загадочное явление квантового запутывания

Американские физики впервые продемонстрировали загадочное явление квантового запутывания, наблюдавшееся ранее только на квантовых величинах элементарных частиц, в классической механической системе колеблющихся ионов металлов. Открытие является большим шагом на пути к созданию нового поколения вычислительных машин - квантовых компьютеров, считают авторы исследования, опубликованного в журнале Nature.

Квантовое запутывание - это особое состояние материи, наблюдавшееся до сих пор только у элементарных частиц, поведение которых описывается законами квантовой механики отличными от классических законов движения, выведенных Ньютоном. Основным отличием квантовой механики от классической является изменение скорости и энергии движения квантовых частиц не монотонно как у движущихся макроскопических тел, а дискретно - на фиксированные значения.

В состоянии квантового запутывания могут находиться две и более частиц. Запутывание проявляется в том, что будучи разделенными большими расстояниями на которых никакие физические силы их уже не связывают, частицы ведут себя так, как будто между ними происходит какое-то взаимодействие, а изменение состояния одной частицы в системе приводит к закономерному изменению состояния другой.

Как именно и с какой скоростью происходит передача информации о состоянии одной частицы к другой, ученым пока неизвестно.

До сих пор квантовое запутывание ученые могли наблюдать только изучая квантовые состояния элементарных частиц, однако группе ученых под руководством Дэвида Вайнленда (David Wineland) впервые удалось показать, что квантовое запутывание может проявиться и в системах, описываемых законами классической ньютоновской механики.

В своем исследовании физики из Института стандартов и технологий США использовали так называемую ловушку Пауля, позволяющую с помощью комбинации постоянного и переменного электрического полей удерживать и манипулировать отдельными заряженными атомами - ионами.

С помощью этой ловушки ученые зафиксировали на одном из электродов ловушки две пары положительно заряженных атомов металлов - магния и бериллия - колеблющихся в направлении друг друга подобно двум грузам, соединенным пружиной. После этого с помощью лазера исследователи перевели ионы бериллия в запутанное состояние, в котором их внутренняя энергия оказалась взаимосвязанной. Затем с помощью манипуляций с ионной ловушкой ученые разделили две пары колеблющихся ионов на разных электродах расстояние в 240 микрон, на котором пары ионов считаются колеблющимися независимо.

Авторы статьи с удивлением обнаружили, что воздействуя с помощью лазера на один из атомов бериллия им удается не только изменить его внутреннюю энергию, но и повлиять на его совместные с ионом магния колебания. При этом колебания второй пары ионов оказались зависимыми от изменения характера колебаний первой.

"Где именно проходит грань между миром квантовой механики и классической ученым пока не известно. Вероятно, наша работа позволит нащупать эту границу и показать, какие величины могут быть квантово запутанными, а какие нет. Нам удалось впервые запутать механическую систему, похожую на груз, колеблющийся на пружине, только имеющую гораздо меньшие размеры", - сказал молодой сотрудник лаборатории Джон Джост (John Jost), являющийся ведущим автром публикации.

Работа ученых, вероятно, может позволить в будущем создавать квантовые компьютеры на основе сотен пар колеблющихся и квантово запутанных ионов, способных за считанные секунды решать вычислительные задачи, на которые даже у современных суперкомпьютеров уйдет несколько десятилетий. Кроме того, методики работы с квантово запутанными механическими системами, разработанные командой Вайнленда наверняка найдут применения во многих ведущих мировых научных лабораториях.

РИА Новости

©РАН 2020