האם ניתן לאחד בחלקיק קוונטי אחד שעון מדויק במיוחד, מעבד חישוב וסימולטור של תהליכים פיזיקליים? פיזיקאים ממעבדת JILA בבולדר, יחד עם עמיתיהם מאוניברסיטת אינסברוק, הוכיחו שזה אפשרי. הם יצרו "אולר שוויצרי" קוונטי המבוסס על אטומי איטרביום-171, המסוגלים לשנות את תפקידם הפונקציונלי לפי פקודת לייזר.
עד כה, טכנולוגיות קוונטיות התפתחו במקביל. מדענים מסוימים בנו קיוביטים לחישובים, אחרים - למידול מערכות מורכבות, ואחרים יצרו שעונים אופטיים. הבעיה היא שמשימות שונות דורשות תכונות פיזיקליות שונות.
הצוות בהובלת אדם קאופמן מצא פתרון אלגנטי. הם השתמשו בשלושה זוגות של מצבי אנרגיה של איטרביום, שיש להם מצב "עוגן" משותף אחד. על ידי הפניית פולסי לייזר בתדרים מסוימים אל האטום, החוקרים הצליחו להעביר באופן מיידי את הסופרפוזיציה הקוונטית ממצב אחד למשנהו ללא אובדן נתונים.
אותו אטום פועל כעת בשלושה תפקידים:
- קיוביט גרעיני: משתמש בספין של הגרעין, שכמעט אינו רגיש להפרעות חיצוניות, ושומר על המידע בצורה אמינה.
- קיוביט רידברג: נוצר בעת עירור חזק של האלקטרון, מה שמאפשר לאטומים לקיים אינטראקציה מהירה זה עם זה לצורך ביצוע חישובים.
- קיוביט אופטי: מפעיל רמות אנרגיה המשמשות בשעונים אטומיים, דבר הנחוץ למדידות מדויקות ביותר.
במהלך הניסויים, המדענים הדגימו מחזור עבודה מלא. הם קשרו במצב שזור עד 20 אטומים וביצעו פעולות דו-קיוביטיות בדיוק של 99.78%. אם במהלך המעבר נוצרה שגיאה, המערכת תיעדה אותה באמצעות בקרה אופטית ופסלה הרצות לא מוצלחות.
בטווח הארוך, רב-גוניות כזו מאפשרת למחוק את הגבולות בין חישובים קוונטיים למטרולוגיה מדויקת. מהנדסים לא יצטרכו עוד לבחור בין יציבות המערכת לבין מהירות פעולתה. שילוב שלושת המצבים במסגרת פלטפורמה אחת עשוי להאיץ משמעותית את הופעתם של מחשבים קוונטיים מעשיים, המסוגלים לפתור משימות יישומיות אמיתיות ללא צורך בהחלפת ציוד מסורבלת.
