Предложен эффективный метод охлаждения элементов молекулярного квантового компьютера

Для реализации квантовых компьютеров необходимо подавление декогеренции — процесса, кажется, неизбежного для молекул при комнатной температуре. Чтобы обойти проблему, «элементную базу» компьютера охлаждают едва или не до абсолютного нуля. Эрик Хадсон (Eric Hudson) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) и Ко скомбинировали две ранее использовавшиеся технологии охлаждения молекул и добились впечатляющих результатов.

Эрик Хадсон в лаборатории (здесь и ниже фото UCLA).

Прежние способы охлаждения молекул работали только буквально для пары их видов. А ограниченное количество видов молекул, с которыми можно строить квантовые компьютеры (КК), серьёзно препятствует их развитию: не всё, что легко охлаждается, подходит для работы в качестве элементов памяти КК. Напомним: хотя КК можно реализовать на основе атомов, этому мешает лёгкость изменения в них энергетических уровней электронов под действием окружающего мира.

Альтернативный подход подразумевает использование вращающейся молекулы в низшем энергическом состоянии, допускающем вращение как «единицу», а молекулу того же вещества, но не вращающуюся, — в качестве «нуля» (фактически же в КК нет «1» и «0» в прямом смысле слова, поскольку базисный элемент там находится в суперпозиции двух состояний). Вот только охладить именно молекулы до температур, близких к абсолютному нулю, оказалось сложнее, чем одиночные атомы, ибо в молекуле атомов как минимум два. Что же делать?

Физики применили метод охлаждения, при котором плавающее в вакууме облачко атомов кальция со всех сторон обрабатывалось пучками лазерного излучения, использованными для охлаждения.

Экспериментальная установка, на которой отрабатывались новые методики охлаждения молекул.

Такая магнитооптическая ловушка удерживает атомы кальция неподвижными и охлаждает до ультранизких температур. Затем специализированные стержни, к которым был подведён ток, позволили создать ионную ловушку для молекул хлорида бария (с положительным зарядом). Причём ионную ловушку расположили в вышеупомянутом облачке атомов кальция, за счёт взаимодействия с которыми молекулы через некоторое время удалось охладить до нужных сверхнизких значений.

Почему использовались фактически ионы хлорида бария, а не нормальные молекулы с нейтральным зарядом? Как показал опыт, нейтральные молекулы, сталкиваясь с ультрахолодными атомами, рикошетили от них без заметного обмена теплом. А вот когда нейтральный атом встречает заряженный ион, они «расстаются» далеко не так легко, предварительно осуществив значимый тепловой обмен.

Такой подход теоретически должен работать с обширным списком молекул; при этом он значительно проще в реализации, что облегчает построение столь нужных сегодня КК на молекулярной базе.

Отчёт об исследовании вскоре появится в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.