Nauja magnetinio rezonanso technika gali pakeisti kvantinį skaičiavimą

2001 m. fizikų komanda iš IBM ir Stenfordo universiteto Silicio slėnyje atskleidė, kad jie sukūrė nuostabų kompiuterį, galintį panaudoti keistas kvantinės mechanikos taisykles informacijai apdoroti.

Šis kvantinis kompiuteris buvo sukurtas skaičiams suskaidyti – problema, su kuria tradiciniai kompiuteriai turi ypatingų problemų. Komanda tai išdidžiai pademonstravo suradusi du pagrindinius skaičiaus 15 veiksnius (3 ir 5, jei jums įdomu).

Tai buvo įspūdingas žygdarbis. Tai buvo įmanoma, nes kvantinis objektas vienu metu gali egzistuoti dviejose būsenose, vienu metu reikšdamas 0 ir 1. Tokia superpozicija leidžia vienam kvantiniam objektui skaičiuoti su 2 bitais vienu metu, dviem kvantiniams objektams – su keturiais bitais vienu metu, aštuoniems kvantiniams objektams – su 256 bitais ir pan.

IBM / Stanfordas turėjo tik septynis kubitus. Tačiau tokių įrenginių pažadas yra didžiulis: vos 30 kubitų kompiuteris būtų galingesnis už bet kurį esamą įprastą kompiuterį.

Tačiau per dešimt metų nuo to laiko niekas nesukūrė daug galingesnio už šį kvantinio kompiuterio. Kaip tai?

IBM/Stanfordo mašina veikė naudojant magnetinio rezonanso techniką. Idėja yra rasti molekulę, kurioje būtų atomų branduoliai, kuriuos galima priversti suktis aukštyn arba žemyn esant šiek tiek kitokiai energijai. Tai leidžia kiekvieną branduolį spręsti atskirai, naudojant magnetinio rezonanso techniką.

Tai apima jų patalpinimą į galingą magnetinį lauką, radijo bangų suspaudimą ir klausymąsi, ar nėra aido. (Kiekvienas, kuriam buvo atliktas MRT skenavimas, bus gydomas taip pat.)

Ši technika veikia su visomis molekulėmis, tokiomis kaip acetonas, kofeinas ir net alkoholis, nors IBM/Stanfordo komanda naudojo egzotišką molekulę, vadinamą perfluorbutadienilo geležies kompleksu, kad gautų septynis kubitus. Jis taip pat veikia kambario temperatūroje, o tai yra patogu.

Bet štai kas. Signalas iš vienos molekulės yra per silpnas, kad šis metodas galėtų jį priimti, todėl skaičiavimui atlikti reikia naudoti visą puodelį molekulių. Ir tai labai apriboja technikos mastelį.

Didesnių molekulių naudojimas kubitų skaičiui padidinti žymiai sumažina signalą, kurį galite paimti iš kiekvieno kubito. Taigi magnetinio rezonanso technika naudojant puodelį molekulių tiesiog neveikia daug daugiau nei saujelė kubitų.

Štai kodėl fizikai taip ilgai buvo įstrigę. Iki šiol niekas nežinojo, kaip padidinti kubitų skaičių.

Šiandien Mike'as Grinoldsas ir bičiuliai iš Harvardo universiteto sako, kad išsprendė problemą. Ir tai, kaip jie tai padarė, yra sumažinti magnetinio rezonanso aparato verslo galą iki smeigtuko galvutės dydžio. (Jei kada nors matėte magnetinio rezonanso aparatą, žinosite, koks tai žygdarbis.)

Jie tai padarė uždėję galingą magnetą ant atominės jėgos mikroskopo skenuojančio galo. Tokiu būdu jie gali sukurti galingą magnetinio lauko gradientą vos kelių nanometrų skersmens erdvėje. Tai leidžia jiems stimuliuoti ir valdyti pavienių elektronų magnetinį rezonansą.

Jie išbandė savo prietaisą su vadinamosiomis azoto laisvomis darbo vietomis deimantuose. Jie sukuriami užkasant atskirus azoto atomus plonuose deimantų lakštuose. Kvantinius fizikai žavi šios laisvos darbo vietos, nes jos yra gerai apsaugotos nuo išorinio pasaulio ir tokios stabilios, be to, jas nesunku pastebėti iš jų skleidžiamų fotonų.

Šios laisvos vietos taip pat gali būti išdėstytos arti viena kitos, kad jos galėtų sąveikauti viena su kita, o tai yra esminis reikalavimas kvantiniams kompiuteriams, nes tai leidžia sukurti kvantinės logikos vartus su daugiau nei vienu įėjimų ir išėjimų rinkiniu.

Tačiau tokie vartai veiks tik tuo atveju, jei elektronais laisvose vietose bus galima tinkamai manipuliuoti.

Būtent tai leidžia naujoji magnetinio rezonanso technika: manipuliuoti elektronais tokiu būdu, kurį būtų galima lengvai pritaikyti kvantiniam skaičiavimui.

Grinoldas ir bendradarbiai teigia, kad tai turi intriguojančių potencialių pritaikymų – nuo ​​jautrių nanoskalės magnetometrų iki keičiamo dydžio kvantinės informacijos procesorių.

Tai jaudinantis proveržis. Azoto laisvos vietos deimantuose yra gerai ištirtos daugelyje laboratorijų visame pasaulyje, o atominės jėgos mikroskopai yra gana standartiniai rinkinio elementai. Pridėkite tai prie to, kad pirmasis didelio masto kvantinis kompiuteris beveik neabejotinai laimės savo savininkui neblogą prizą, ir jūs turite visus ingredientus, reikalingus lenktynėms.

Ir tai jau neminint daugybės kitų bėgikų: jonų gaudyklių, kvantinių ertmių, superlaidžių kubitų ir optinių loginių vartų ir panašiai.

Kvantinio skaičiavimo kliūties įveikimo metu atrodė, kad iš pradžių magnetinis rezonansas sumažėjo. Dabar jis vėl bėga ir vejasi lyderį.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1103.0546 : Proksimalinių sukimų kvantinis valdymas naudojant nanoskalės magnetinio rezonanso vaizdavimą

Dabar galite sekti „The Physics arXiv“ tinklaraštį Twitter

paslėpti