Czy można połączyć w jednej cząstce kwantowej ultraprecyzyjny zegar, procesor obliczeniowy i symulator procesów fizycznych? Fizycy z laboratorium JILA w Boulder, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Innsbrucku, udowodnili, że jest to możliwe. Opracowali oni kwantowy „multitool” oparty na atomach iterbu-171, które potrafią zmieniać swoją funkcję pod wpływem impulsu laserowego.
Do tej pory technologie kwantowe rozwijały się równolegle. Jedni badacze budowali kubity do obliczeń, inni do modelowania złożonych systemów, a jeszcze inni tworzyli zegary optyczne. Problem polega na tym, że różne zadania wymagają odmiennych właściwości fizycznych.
Zespół kierowany przez Adama Kaufmana znalazł eleganckie rozwiązanie. Wykorzystali oni trzy pary stanów energetycznych iterbu, które mają jeden wspólny stan „zakotwiczenia”. Kierując na atom impulsy laserowe o określonych częstotliwościach, naukowcy byli w stanie błyskawicznie przenosić superpozycję kwantową z jednego trybu do drugiego bez utraty informacji.
Ten sam atom pracuje obecnie w trzech różnych postaciach:
- Kubit jądrowy: wykorzystuje spin jądra, który jest niemal niewrażliwy na zakłócenia zewnętrzne i pozwala na bezpieczne przechowywanie informacji.
- Kubit rydbergowski: powstaje przy silnym wzbudzeniu elektronu, co umożliwia atomom szybką interakcję ze sobą w celu wykonywania obliczeń.
- Kubit optyczny: angażuje poziomy energii wykorzystywane w zegarach atomowych, co jest niezbędne do przeprowadzania niezwykle precyzyjnych pomiarów.
W toku eksperymentów naukowcy zademonstrowali pełny cykl roboczy urządzenia. Splątali oni ze sobą do 20 atomów i przeprowadzili operacje dwukubitowe z dokładnością rzędu 99,78%. Jeśli w procesie przełączania pojawiał się błąd, system rejestrował go za pomocą kontroli optycznej i automatycznie odrzucał nieudane próby.
W perspektywie taka uniwersalność pozwala na zatarcie granic między informatyką kwantową a metrologią precyzyjną. Inżynierowie nie będą już musieli wybierać między stabilnością systemu a szybkością jego działania. Integracja trzech trybów w ramach jednej platformy może znacznie przyspieszyć pojawienie się praktycznych komputerów kwantowych, zdolnych do rozwiązywania realnych zadań bez konieczności kłopotliwej wymiany sprzętu.
