Nowa technika rezonansu magnetycznego może zrewolucjonizować obliczenia kwantowe

W 2001 roku zespół fizyków z IBM i Uniwersytetu Stanforda w Dolinie Krzemowej ujawnił, że zbudował niezwykły komputer zdolny do wykorzystywania dziwnych reguł mechaniki kwantowej do przetwarzania informacji.

Ten komputer kwantowy został zaprojektowany do faktoryzacji liczb, co jest problemem, z którym konwencjonalne komputery mają szczególny problem. Zespół z dumą zademonstrował to, znajdując dwa czynniki pierwsze liczby 15 (3 i 5, jeśli się zastanawiasz).

To był imponujący wyczyn. Było to możliwe, ponieważ obiekt kwantowy może istnieć w dwóch stanach jednocześnie, reprezentując jednocześnie 0 i 1. Ten rodzaj superpozycji pozwala jednemu obiektowi kwantowemu na obliczenia przy użyciu 2 bitów jednocześnie, dwóm obiektom kwantowym na obliczeniach przy użyciu czterech bitów jednocześnie, ośmiu obiektom kwantowym na obliczeniach przy użyciu 256 bitów i tak dalej.

IBM/Stanford miał do dyspozycji zaledwie siedem kubitów. Ale obietnica płynąca z tego rodzaju urządzeń jest ogromna: komputer z zaledwie 30 kubitami byłby potężniejszy niż jakikolwiek istniejący konwencjonalny komputer.

Ale w ciągu ostatnich dziesięciu lat nikt nie zbudował komputera kwantowego o wiele potężniejszego niż ten. Dlaczego?

Maszyna IBM/Stanford działała przy użyciu techniki zwanej rezonansem magnetycznym. Pomysł polega na znalezieniu cząsteczki zawierającej jądra atomowe, które mogą obracać się w górę lub w dół przy nieco innych energiach. Pozwala to na osobne adresowanie każdego jądra przy użyciu techniki rezonansu magnetycznego.

Wiąże się to z umieszczeniem ich w silnym polu magnetycznym, zakłóceniem ich falami radiowymi, a następnie nasłuchiwaniem echa. (Każdy, kto przeszedł rezonans magnetyczny, będzie miał takie samo leczenie.)

Technika ta działa z wszelkiego rodzaju cząsteczkami, takimi jak aceton, kofeina, a nawet alkohol, chociaż zespół IBM/Stanford wykorzystał egzotyczną cząsteczkę znaną jako kompleks perfluorobutadienylo-żelaza, aby uzyskać siedem kubitów. Działa również w temperaturze pokojowej, co jest przydatne.

Ale o to chodzi. Sygnał z pojedynczej molekuły jest zbyt słaby, aby ta technika mogła go wykryć, więc do wykonania obliczeń trzeba użyć całej szklanki molekuł. A to nakłada poważne ograniczenia na skalowalność tej techniki.

Użycie większych cząsteczek do zwiększenia liczby kubitów radykalnie zmniejsza sygnał, który można odebrać z każdego kubitu. Tak więc technika rezonansu magnetycznego wykorzystująca filiżankę cząsteczek po prostu nie działa na wiele więcej niż garść kubitów.

Dlatego fizycy tak długo utknęli. Do tej pory nikt nie wiedział, jak zwiększyć liczbę kubitów.

Dzisiaj Mike Grinolds i kumple z Uniwersytetu Harvarda twierdzą, że rozwiązali problem. A sposób, w jaki to zrobili, polega na zmniejszeniu części biznesowej maszyny do rezonansu magnetycznego do wielkości główki od szpilki. (Jeśli kiedykolwiek widziałeś maszynę do rezonansu magnetycznego, wiesz, co to za wyczyn).

Zrobili to, umieszczając potężny magnes na czubku skanującym mikroskopu sił atomowych. W ten sposób mogą stworzyć potężny gradient pola magnetycznego w przestrzeni o średnicy zaledwie kilku nanometrów. To pozwala im stymulować i kontrolować rezonans magnetyczny pojedynczych elektronów.

Przetestowali swoje urządzenie na tak zwanych wakacjach azotowych w diamencie. Powstają one poprzez zakopanie pojedynczych atomów azotu w cienkich warstwach diamentu. Fizycy kwantowi są zafascynowani tymi wakatami, ponieważ są one dobrze chronione przed światem zewnętrznym i tak stabilne, a także łatwo je dostrzec dzięki emitowanym przez nie fotonom.

Te wakaty można również umieścić blisko siebie, aby mogły ze sobą współdziałać, co jest kluczowym wymogiem dla komputerów kwantowych, ponieważ umożliwia tworzenie bramek logiki kwantowej z więcej niż jednym zestawem wejść i wyjść.

Ale takie bramki będą działać tylko wtedy, gdy elektronami w wolnych miejscach można manipulować we właściwy sposób.

Właśnie to umożliwia nowa technika rezonansu magnetycznego: manipulacja elektronami w sposób, który można łatwo dostosować do obliczeń kwantowych.

Grinold i wsp. twierdzą, że ma to intrygujące potencjalne zastosowania, od czułych magnetometrów w nanoskali po skalowalne procesory informacji kwantowej.

To ekscytujący przełom. Braki azotu w diamentach są dobrze badane w wielu laboratoriach na całym świecie, a mikroskopy sił atomowych są dość standardowymi elementami zestawu. Dodaj do tego fakt, że pierwszy komputer kwantowy na dużą skalę prawie na pewno zdobędzie dla swojego właściciela przyzwoitą nagrodę, a masz wszystkie składniki potrzebne do wyścigu.

I to nie wspominając o wielu innych biegaczach: pułapkach jonowych, wnękach kwantowych, kubitach nadprzewodzących, bramkach logiki optycznej i tym podobnych.

Kiedyś w wyścigu z przeszkodami w dziedzinie obliczeń kwantowych wydawało się, że rezonans magnetyczny na początku osłabł. Teraz znów jest w biegu i ściga prowadzenie.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1103.0546 : Kontrola kwantowa spinów proksymalnych za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego w nanoskali

Możesz teraz śledzić blog The Physics arXiv na Świergot

ukryć