Можно ли объединить в одной квантовой частице сверхточные часы, вычислительный процессор и симулятор физических процессов? Физики из лаборатории JILA в Боулдере совместно с коллегами из Университета Инсбрука доказали, что это возможно. Они создали квантовый «мультитул» на основе атомов иттербия-171, способных менять свою функциональную роль по команде лазера.
До сих пор квантовые технологии развивались параллельно. Одни ученые строили кубиты для вычислений, другие — для моделирования сложных систем, третьи создавали оптические часы. Проблема в том, что разные задачи требуют разных физических свойств.
Команда под руководством Адама Кауфмана нашла изящное решение. Они использовали три пары энергетических состояний иттербия, которые имеют одно общее «якорное» состояние. Направляя на атом лазерные импульсы определенных частот, исследователи смогли мгновенно переносить квантовую суперпозицию из одного режима в другой без потери данных.
Один и тот же атом теперь работает в трех ипостасях:
- Ядерный кубит: использует спин ядра, который почти нечувствителен к внешним помехам, и надежно хранит информацию.
- Ридберговский кубит: возникает при сильном возбуждении электрона, позволяя атомам быстро взаимодействовать друг с другом для проведения вычислений.
- Оптический кубит: задействует уровни энергии, применяемые в атомных часах, что необходимо для точнейших измерений.
В ходе экспериментов ученые продемонстрировали полный рабочий цикл. Они связали в запутанное состояние до 20 атомов и провели двухкубитные операции с точностью 99,78%. Если в процессе переключения возникала ошибка, система фиксировала её с помощью оптического контроля и отбраковывала неудачные прогоны.
В перспективе такая универсальность позволяет стереть границы между квантовыми вычислениями и прецизионной метрологией. Инженерам больше не придется выбирать между стабильностью системы и скоростью её работы. Интеграция трех режимов в рамках одной платформы может значительно ускорить появление практических квантовых компьютеров, способных решать реальные прикладные задачи без громоздкой смены оборудования.
