Физики записали информацию на атом

Ученым удалось разработать способ записи информации на атом рубидия. Подобная разработка является важным шагом к созданию полноценных квантовых компьютеров. Если на ее основе удастся создать устройство, способное производить квантовые вычисления, то оно сможет превзойти все имеющиеся на данный момент суперкомпьютеры.

Недавно группе физиков из института Макса Планка в Германии удалось "записать" информацию о квантовом состоянии фотона в атом рубидия и затем считать ее обратно. Этот успех стал ещё одним шагом на пути к созданию квантового компьютера. Теперь уже можно говорить о том, что эта идея в ближайшем будущем сможет воплотиться в конкретное устройство.

Об основных принципах функционирования квантового компьютера "Правда.Ру" уже неоднократно писала (читайте, например, "Квантовые компьютеры появятся в России"). Однако пока что основной проблемой, тормозящей создание этого уникального вычислительного устройства, является отсутствие соответствующих материалов, на которых могла бы записываться информация, с которой работает этот компьютер.

Напомню, что одним из возможных кандидатов на роль такого устройства считается квантовая точка. Она представляет собой чрезвычайно маленький фрагмент полупроводникового материала, в котором возможно возникновение квантовых эффектов в частности, так называемых "суперпозиций " (о том, что это такое, читайте в статье "От квантового фильтра к квантовому компьютеру"). Исходя из этого, немецкие физики предположили, что такой квантовой точкой вполне может быть обыкновенный атом. Их выбор остановился на атоме рубидия.

Известно, что данный элемент достаточно легко отдает единственный электрон внешней оболочки (ее конфигурация 5s¹). Именно поэтому его часто используют для производства катодов для фотоэлементов, а также добавляют также в газоразрядные аргоновые и неоновые трубки для усиления интенсивности свечения. Этот неустойчивый электрон может взаимодействовать с фотонами — элементарными частицами, являющимися переносчиками электромагнитного излучения. А ведь именно их и предполагают использовать в квантовых компьютерах в качестве импульсов, переносящих информацию.

Итак, ученые сгенерировали один фотон и направили его на атом рубидия. Поскольку, как мы помним, данная частица не обладает ни зарядом, ни массой, то оторвать внешний электрон от атома она не смогла. Однако ученые предположили, что взаимодействие двух этих частиц не пройдет бесследно — по их мнению, электрон обязательно должен будет запомнить то, в каком квантовом состоянии находился фотон.

А что именно подразумевалось в опыте под термином "квантовое состояние"? Известно, что эта частица может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения. Напомню, что спином в квантовой механике называется собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Так вот, спин фотона может равняться либо +1, либо -1. Именно эту информацию, по предположению ученых, и должен был запомнить внешний электрон атома рубидия.

После того, как фотон провзаимодействовал с электроном, исследователи изучили поведение последнего и пришли к выводу, что по характеру его движения по атомной орбите можно достаточно точно сказать о квантовом состоянии "ударившего" его фотона. То есть, информация записалась, и, что самое важное, ее удалось вновь считать. Получается, что атомы рубидия вполне пригодны в качестве физического материала, из которого впоследствии можно будет создать запоминающее устройство для квантового компьютера.

По словам Хольгера Спехта, одного из ведущих авторов исследования, хранение информации в одном атоме открывает большие перспективы для создания миниатюрной памяти компьютера. При этом считать информацию с нее достаточно легко — нужно лишь посмотреть, как ведет себя электрон, что ученые умеют делать еще с начала XX столетия. "К тому же, это позволяет проверить, была ли информация с фотона записана на атом, без нарушения квантового состояния фотона", — говорит учёный. Иначе говоря, если информация по каким-то причинам не записалась, эту операцию можно будет повторить ещё раз.

Если разработка немецких физиков в ближайшее время будет применена на практике, то это позволит увеличить мощность уже имеющихся квантовых компьютеров. Напомню, что квантовый компьютер использует в качестве элементарной единицы информации не бит, а кубит (то есть "квантовый бит"). Если у обычного бита есть только два состояния (1 и 0, что соответствует физическим состояниям: есть сигнал — нет сигнала), то кубиты могут находиться одновременно в нескольких состояниях (например, 1-0, 0-1, 1-1, 0-0 и т. п.), а значит, работающий с ними компьютер сможет гораздо быстрее обрабатывать информацию.

На данный момент имеются устройства с весьма небольшим количеством кубитов, так, например, квантовый компьютер, представленный в апреле на конференции Американского физического общества, содержал только шесть. Однако элементы его процессора, памяти и носителей информации достаточно традиционны — они практически ничем не отличаются от таковых, используемых в обычном компьютере.

Согласно прогнозу немецких ученых, разработанная ими технология позволит увеличить мощность компьютеров настолько, что они смогут работать уже с сотней кубитов информации. По расчетам специалистов, подобное устройство уже сможет превзойти все имеющиеся на данный момент суперкомпьютеры. При этом оно будет весьма миниатюрным и удобным для использования.

Антон Евсеев