Чи можливо поєднати в одній квантовій частинці надточний годинник, обчислювальний процесор та симулятор фізичних процесів? Фізики з лабораторії JILA в Боулдері разом із колегами з Університету Інсбрука довели, що це реально. Вони розробили квантовий «мультитул» на основі атомів ітербію-171, здатних змінювати свою роль за командою лазера.
Досі квантові технології розвивалися паралельно. Одні вчені створювали кубіти для обчислень, інші — для моделювання складних систем, треті розробляли оптичні годинники. Проблема полягала в тому, що різні завдання потребують відмінних фізичних властивостей.
Команда під керівництвом Адама Кауфмана знайшла витончене рішення. Вони використали три пари енергетичних станів ітербію, які мають спільний «якірний» стан. Спрямовуючи на атом лазерні імпульси певних частот, дослідники змогли миттєво переносити квантову суперпозицію з одного режиму в інший без втрати даних.
Один і той самий атом тепер функціонує у трьох іпостасях:
- Ядерний кубіт: використовує спін ядра, що майже нечутливий до зовнішніх завад, та надійно зберігає інформацію.
- Рідбергівський кубіт: виникає при сильному збудженні електрона, дозволяючи атомам швидко взаємодіяти один з одним для проведення обчислень.
- Оптичний кубіт: задіює енергетичні рівні, що використовуються в атомних годинниках, що необхідно для надточних вимірювань.
Під час експериментів вчені продемонстрували повний робочий цикл. Вони зв’язали у заплутаний стан до 20 атомів і провели двокубітні операції з точністю 99,78%. Якщо в процесі перемикання виникала помилка, система фіксувала її за допомогою оптичного контролю та відсіювала невдалі цикли.
У майбутньому така універсальність дозволить стерти межі між квантовими обчисленнями та прецизійною метрологією. Інженерам більше не доведеться обирати між стабільністю системи та швидкістю її роботи. Інтеграція трьох режимів у межах єдиної платформи може значно прискорити появу практичних квантових комп’ютерів, здатних вирішувати реальні прикладні задачі без необхідності громіздкої заміни обладнання.
