Квантовые компьютеры способны значительно повысить возможности вычислительных систем, и это приведёт к серьёзным переменам по всему миру.

Как бы то ни было, предстоит ещё долгий путь до воплощения этих планов в реальность, поскольку пока ещё нет возможности реализовать на практике существующие молекулярные концепции. Однако осознание этого факта не способно удержать учёных всего мира от разработки и оптимизации отдельных компонентов. Химики Йенского университета Фридриха Шиллера синтезировали молекулу, способную выполнять функцию вычислительного ядра квантового компьютера. Они поделились результатами своей работы в последнем номере научно-исследовательского журнала Chemical Communications.

Подпись к изображению: Ученый Бенджамин Кинцель  из Йенского университета изучает лабораторный сосуд, содержащий кристаллы новой молекулы, которые могут быть использованы в квантовом компьютере

Молекула, достаточно долго сохраняющая состояние спина

«Для использования молекулы в качестве кубита, основной единицы информации квантового компьютера, она должна иметь способность достаточно долго сохранять свое спиновое состояние, которым можно было бы управлять извне, — объясняет профессор Йенского университета доктор Винфрид Пласс.  — Это означает, что спиновое состояние, получаемое как результат взаимодействия спинов электронов молекулы, должно быть стабильным в достаточным для ввода и считывания информации степени».

Молекула, синтезированная Плассом и его командой, в точности соответствует этому условию. Она называется координационным соединением, состоящим как из органических, так и из металлических частей. «Органический материал формирует решётку, в которой ионы металла расположены строго определённым образом, — говорит Бенджамин Кинтцель, сыгравший главную роль в создании молекулы. — В нашем случае речь идет о трёхъядерном медном комплексе, особенность которого заключается в том, что внутри молекулы ионы меди образуют точный равносторонний треугольник».

Только в этом случае спины электронов трёх ядер меди могут устанавливать настолько сильное взаимодействие, что в молекуле образуется спиновое состояние, превращающее её в кубит, которым можно управлять извне.

«Даже несмотря на то, что мы уже теоретически представляли облик нашей молекулы, её синтез стал довольно серьёзной проблемой,- говорит Кинтцель. – В частности, сложно достичь равностороннего треугольного позиционирования, так что пришлось кристаллизовать молекулу для того, чтобы точно её сформировать. И тяжело предугадать, как подобная частица поведёт себя в кристалле». И тем не менее, применив разнообразные химические инструменты и методы тонкой настройки, исследователи сумели добиться желаемого результата.

Запись и считывание информации при помощи электрических полей

Согласно теоретическим выкладкам, молекула, созданная в Йене, имеет дополнительные фундаментальные преимущества в сравнении с прочими кубитами. По словам Пласса, теоретически, конструктивно заложенные в это медное соединение свойства предполагают возможность контроля его спинового состояния на молекулярном уровне при помощи электрических полей. Применявшиеся до последнего времени в подобных целях магнитные поля не дают возможности сосредотачиваться на отдельных молекулах. Исследовательская группа из Оксфорда, сотрудничающая с химиками Йенского университета, в настоящее время проводит различные эксперименты по изучению характеристик синтезированной в Йене молекулы.

Команда химиков Йенского университета убеждена в том, что созданная ими молекула полностью отвечает требованиям для использования в качестве кубита. Однако сложно предсказать, будут ли её действительно в будущем использовать в качестве вычислительного ядра, потому что на сегодня нет ясного представления о том, как эти молекулы следует интегрировать в квантовые компьютеры. Для достижения этого результата нужны глубочайшие познания химии, и эксперты Йенского университета готовы принять вызов.