Группа учёных из Института Нильса Бора (Дания) сообщила о разработке необычной квантовой памяти — «квантового барабана». Это оптико-механическая память, которая запоминает квантовые состояния фотонов в механических (звуковых) колебаниях керамической мембраны — фактически барабана. Подобное устройство может сыграть роль повторителя для передачи запутанных квантовых состояний по сети, сделав квантовый интернет реальностью.

Источник изображения: Julian Robinson-Tait

«Квантовый барабан» представляет собой керамическую пластинку из похожего на стекло материала. В ряде предыдущих исследований учёные доказали, что специальным образом обработанная пластина керамики позволяет сохранять квантовые состояния ударившего в неё лазерного луча (фотонов). Чудесен не сам факт преобразования квантового состояния света в звук (в квазичастицу фонон), а то, что квантовое, по сути, устройство представлено вполне осязаемой деталью — квантовый микромир в этом устройстве воплотился на вполне осязаемом макроуровне, а с этим уже можно и нужно работать.

Барабан хранит квантовое состояние до того момента, когда его можно передать дальше по сети уже в виде фотонов. Это временная память и она категорически нужна для организации повторителей. Ведь нам хорошо известно, что главное достоинство квантовых сетей связи — это чувствительность к перехвату сообщений. Любой перехват «заряжённых» квантовым состоянием фотонов нарушает эти состояния и это служит индикатором о компрометации передачи. Если на магистрали установить классические повторители с переводом «кубитов» в цифру и обратно это даст канал для утечки, ведь цифру можно перехватить и это будет незаметно.

Источник изображения: University of Copenhagen

Чисто квантовые повторители — это проблема современности и их ещё развивать и развивать, или предлагать что-то новое, например, разработанные в Институте Нильса Бора «квантовые барабаны». Без подобных устройств не стоит даже мечтать о всемирной квантовой паутине. Датчане сделали уверенный шаг в нужном направлении. В лаборатории в условиях комнатной температуры они показали, что время жизни квантового сигнала в мембране достигает 23 мс с вероятностью эффективного извлечения 40 % для классических когерентных импульсов.

«Мы ожидаем, что хранение квантового света станет возможным при умеренных криогенных условиях (T≈10 К). Такие системы могут найти применение в новых квантовых сетях, где они могут служить в качестве долгоживущих оптических квантовых накопителей, сохраняя оптическую информацию в фононном [звуковом] режиме», — поясняют разработчики в статье в журнале Physical Review Letters.

МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», работающие над созданием технологий квантовых компьютеров с 2016 года, заявили о запуске первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах. Производство разместится в новом кампусе МГТУ и должно удовлетворить спрос со стороны основных заказчиков, в числе которых технологические компании и научные лаборатории.

Источник изображений: МГТУ им. Н.Э. Баумана

Технологии сверхпроводниковых квантовых схем в значительной степени отличаются от классического полупроводникового КМОП-процессора и требуют соответствующих компетенций при производстве. В НОЦ ФМН (совместный научный центр МГТУ и ВНИИА) осуществили переход от изготовления «отдельных кристаллов» к серийному выпуску за счёт использования собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем, которая является одной из наиболее перспективных при создании высокоточных квантовых процессоров и параметрических усилителей. На одной пластине размещаются сотни чипов разных квантовых устройств, которые объединены единым технологическим маршрутом изготовления.

Разработчикам потребовалось несколько лет, чтобы осуществить переход на серию с соблюдением параметров качества квантовых устройств, которое было достигнуто на отдельных чипах. Специалисты сознательно не хотели снижать уровень качества и в конечном счёте даже смогли улучшить точность изготовления элементов квантовых схем в допуске 0,5 нм. Для масштабирования технологии и организации контрактного производства ещё предстоит дооснастить построенный в этом году в новом Бауманском кампусе исследовательский кластер, площадь чистых комнат которого составляет 2500 м², уже спроектированным оборудованием.

Одна из важнейших задач при постановке серийного техпроцесса заключалась в создании наноразмерных элементов сверхпроводниковых устройств — джозефсоновских переходов. Они представляют собой трёхслойную структуру, состоящую из алюминия, туннельного оксида алюминия и алюминия (Al-AlOx-Al), внутри которой «рождается» кубит при переходе чипа в состояние сверхпроводимости (охлаждение процессора до температуры ниже 273 ºС). Специалисты НОЦ ФМН использовали технологию изготовления джозефсоновских переходов с линейными размерами в десятки нанометров с суб-нанометровой точностью. За счёт этого удалось добиться рекордных показателей воспроизводимости электрических характеристик переходов и параметров кубитов процессоров на мировом уровне.

Для постановки технологии в серийное производство на пластине 100 мм командой исследователей предложена и внедрена математическая модель, симулирующая процесс воспроизводимого форматирования джозефсоновских переходов. Полученные результаты позволяют изготавливать квантовые интегральные схемы с высочайшей точностью контроля частот кубитов.

Считается, что в обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде. Другие формы поля считались невозможными, пока недавно российские физики не предложили теоретический подход, меняющий правила игры. Открытие позволит формировать световые импульсы треугольной или прямоугольной формы, что привнесёт много нового в работу схем квантовых компьютеров.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Как установили исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), изменить форму напряжённости электромагнитного поля в оптическом диапазоне можно с помощью неравномерного распределения плотности в среде, через которую пропускают импульсы сверхкороткой длительности в несколько фемтосекунд. Чем больше форм и разновидностей оптических импульсов получится создавать, тем более точным будет управление кубитами, например, в виде атомов и даже электронов.

Авторы работы теоретически смоделировали прохождение двух последовательных сверхкоротких оптических импульсов через газообразный натрий. Первичные импульсы были классической дугообразной формы, соответствующей половине периода обычной электромагнитной волны. По условиям моделирования импульсы проходили в среде путь длиной 5 мкм. Первый из импульсов передавал возбуждение атомам натрия, запуская их колебания, а второй останавливал их. Этот процесс вызывал отклик электромагнитного поля в виде двух пиков и с этим уже можно работать.

Исследователи предложили таким образом изменить плотность среды, чтобы плотность размещения атомов натрия менялась от малой к большой, затем шло плато, после чего плотность снова снижалась. Таким образом изменение плотности напоминало трапецию. После этого модель стала выдавать импульсы света строго прямоугольной формы. Меняя переход плотности среды на участках подъёма и спада с линейной на параболическую, учёные заставляли импульсы принимать треугольную форму.

Импульсы прямоугольной и треугольной формы. Источник изображения: Ростислав Архипов

«Мы теоретически показали, что, меняя распределение плотности в среде, через которую проходит оптический импульс, можно управлять его формой. Далее предстоит экспериментально проверить наши выводы. В дальнейшем мы планируем исследовать, как оптические импульсы разной формы будут влиять на состояние квантовых систем, которые лежат в основе квантовых компьютеров», — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Добавим, работа по исследованию была опубликована в журнале Optics Letters.

Учёные из Чикагского университета стали первыми свидетелями явления, названного «квантовой суперхимией». Эффект давно был предсказан теоретически, но впервые наблюдался вживую только сейчас. В основе явления лежит коллективное поведение множества атомов, как одного большого атома. Такие «суператомы» будут вести себя иначе в химических реакциях и могут стать источником необычных материалов, что пригодится в сфере квантовых вычислений и не только.

Источник изображения: John Zich / University of Chicago

Отдельные атомы приобретают одинаковые квантовые состояния и становятся неотличимыми друг от друга при сильнейшем охлаждении — возникает так называемый конденсат Бозе–Эйнштейна. Предполагалось, что в таком состоянии облако атомов будет вести себя как один большой атом, что заставит те же химические реакции проходить по-иному. При обычных условиях пара атомов сталкивается и может образовать молекулу. Но что будет, если столкнутся «суператомы» — облака идентичных по своим квантовым свойствам атомов? Как минимум, это ускорит химические реакции, говорит теория. И учёные из Чикагского университета действительно увидели такие процессы.

«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс, — рассказали авторы исследования. — Все они реагируют вместе, как единое целое».

Прежде всего, отметим, идентичность квантовых состояний ведёт к тому, что атомы становятся квантово запутанными. После реакции взаимодействия «суператомов» образуются «супермолекулы» с такими же идентичными квантовыми состояниями, включая запутанность. Ценность таких «суперреакций» в том, что мы получаем возможность создать достаточно большие кубиты — размером от молекул до вполне осязаемых элементов квантовых компьютеров. Такой «суперкубит» будет меньше бояться случайных помех и сможет дольше удерживать квантовые состояния в процессе вычислений. Это своего рода вторжение или масштабирование квантовых микроявлений в наш макромир.

Это открытие может проложить путь к новым технологиям в области квантовой химии, квантовых вычислений и помочь учёным в изучении законов физики. Пока эта суперхимия проводилась только с двухатомными молекулами, но команда планирует расширить работу и включить в неё более сложные молекулы.

Физики из Университета Рутгерса предложили теоретические взгляды на эксперимент с участием «странного металла», который может сыграть решающую роль в развитии будущих квантовых технологий. Исследователи, изучающие соединение, называемое Y-ball, которое принадлежит к классу «странных металлов», считающихся ключевыми для разработки передовых квантовых материалов, обнаружили новые методы изучения и понимания его поведения.

Источник изображения: freepik

«Странные металлы» — это металлы, которые не подчиняются теории ферми-жидкости, которая описывает поведение электронов в обычных металлах при низких температурах. В странных металлах сопротивление пропорционально температуре вблизи абсолютного нуля, тогда как в обычных после сверх проводящей фазы идет резкий рост сопротивления. Это состояние вещества можно назвать промежуточным между проводником и диэлектриком. В качестве примера «странных металлов» можно привести купраты.

В журнале Science международная группа исследователей из Рутгерса, Университета Хиого и Токийского университета в Японии, Университета Цинциннати и Университета Джона Хопкинса описала детали движения электронов, которые дают новое представление о необычных электрических свойствах Y-ball. Материал, технически известный как соединение YbAlB4, содержит элементы иттербий, алюминий и бор.

Анализируя материал с помощью метода, известного как мессбауэровская спектроскопия, учёные исследовали Y-ball с помощью гамма-лучей, измеряя скорость, с которой колеблется электрический заряд металла. В обычном металле, когда электроны движутся, они переходят из атома в атом, вызывая колебания их электрического заряда, но со скоростью, в тысячи раз превышающей скорость, которую можно увидеть с помощью мессбауэровской спектроскопии. В данном случае изменение произошло за наносекунду, миллиардную долю секунды.

Учёные рассказали, что, когда Y-ball и другие «странные металлы» охлаждаются до низких температур, они часто становятся сверхпроводниками, вообще не проявляя сопротивления. В это семейство попадают материалы с самыми высокими температурами сверхпроводимости. Таким образом, эти металлы очень важны, потому что они обеспечивают основу для новых форм электронной материи и высокотемпературных сверхпроводников.

Ожидается, что сверхпроводящие материалы будут играть центральную роль в следующем поколении квантовых технологий, потому что, устраняя все электрические сопротивления, они позволяют электрическому току течь квантово-механически синхронизированным образом.