.jpg)
Ученые предложили строить квантовые системы на атомах гелия-3. Это самый легкий тип атомов, который удается удерживать и контролировать в современных лазерных ловушках. Расчеты показывают, что малая масса гелия-3 позволяет атомам перемещаться между ловушками за счет квантового туннелирования как минимум в три раза быстрее, чем в уже испытанных системах на литии-6. Более быстрые перемещения могут упростить квантовые вычисления и моделирование сложных физических систем.
Ученые представили не готовый компьютер, а подробную архитектуру будущей платформы. В основе проекта лежат отдельные метастабильные атомы гелия-3, размещенные в программируемом массиве лазерных ловушек.
Скорость здесь напрямую связана с массой атома. Чем легче частица, тем быстрее она способна туннелировать между соседними ловушками при одинаковых условиях. Быстрое перемещение важно не только само по себе. В нейтрально-атомных процессорах атомы приходится переставлять, сближать для взаимодействия и разводить после выполнения операций.
Отдельные атомы будут удерживаться сфокусированными лазерными лучами, которые создают микроскопические потенциальные ловушки. С гелием долгое время мешала слишком высокая энергия электронных переходов, однако атом можно перевести в метастабильное состояние. У гелия такое состояние сохраняется около двух часов, поэтому ученые рассчитывают получить достаточно времени для охлаждения, захвата и управления отдельными частицами.
Низкая масса также дает возможность кодировать кубиты непосредственно в движении атома внутри лазерной ловушки, используя разные квантованные колебательные состояния. Расчеты охватывают взаимодействия через ридберговские состояния, которые могут связывать атомы и использоваться для квантовых операций. Более разнесенные энергетические уровни гелия должны облегчить лазерное охлаждение.
Выбор именно гелия-3 связан не только с массой. Гелий-3 относится к фермионам, тогда как распространенный гелий-4 является бозоном. Фермионная природа позволяет напрямую воспроизводить поведение электронов и других фермионных систем, не переводя задачу целиком в искусственное представление на бозонных кубитах. Ученые считают такой подход перспективным для квантовой химии, решеточных калибровочных теорий и других задач, где движение фермионов играет центральную роль.
До работающего процессора пока далеко. Ученые планируют сначала отработать захват атомов на более доступном гелии-4, а затем перейти к дорогому гелию-3. Первые эксперименты с удержанием отдельных атомов гелия-3 в оптических пинцетах рассчитывают провести в течение двух лет. Для будущих установок при этом потребуются лишь десятки атомов, поэтому высокая стоимость изотопа не должна стать главным ограничением на лабораторном этапе.
