Могут ли экзотические «хрусталлики времени» стать ключом к революции в области квантовой вычислительной памяти? Недавние исследования дают основания полагать, что это возможно, предлагая нам взгляд на будущее, где квантовые данные сохраняются не миллисекунды, а минуты. Это значительный шаг вперед по сравнению с нынешними технологиями и может открыть новые возможности для сложных квантовых вычислений.
Хрусталлики времени — уникальные материалы, которые демонстрируют повторяющиеся закономерности во времени, а не в пространстве, как это делают традиционные кристаллы. Представьте себе маятник, качающийся туда-сюда — его движение периодическое, но оно обусловлено внешней силой (гравитацией). Хрусталлики времени же спонтанно развивают эту периодичность без какого-либо постоянного внешнего воздействия.
Ученые исследовали различные способы создания этих захватывающих структур. В последнем исследовании, опубликованном в журнале «Nature Communications», исследователи из Финского университета Аалто сосредоточились на типе хрусталлика времени, построенного из квазичастиц, называемых магнонами. Это коллективные волны, связанные с свойством спина частиц в среде сверхтекучего гелия-3.
Преодоление барьера хрупкости
Хрусталлики времени считались невероятно хрупкими и легко нарушаемыми окружающим миром. Тем не менее, эта работа прямо столкнулась с этой проблемой. Ученые успешно сопрягли свой магнонный хрусталлик времени с поверхностной механической волной без его разрушения. Это взаимодействие имеет решающее значение, поскольку оно демонстрирует потенциал использования присущей хрусталликам времени прочности для практических применений.
Представьте себе, что осторожно качаете взад-вперед хрупкий предмет — он может выдержать движение, если это делать аккуратно. Эта аналогия отражает суть того, чего добились исследователи. С помощью точного управления механической волной они вызвали изменение частоты хрусталлика времени без причинения вреда.
«Самая интересная для меня часть заключается в том, что вы можете действительно существенно сопрячь хрусталлик времени с другой системой и использовать присущую хрусталликам времени прочность», — рассказал Live Science соавтор исследования Жере Макинен.
Возможный подход к квантовой памяти
Последствия этого открытия огромны, особенно для квантовых вычислений. Квантовые компьютеры используют кубиты, которые в отличие от классических бит могут находиться в суперпозиции состояний (оба 0 и 1 одновременно). Это свойство позволяет им потенциально превосходить классические компьютеры в выполнении определенных задач.
Однако сохранение этих хрупких суперпозиций имеет первостепенное значение. Текущие технологии квантовой памяти главным образом полагаются на ориентацию спинов для хранения данных, но эти состояния спина чрезвычайно чувствительны к шуму окружающей среды. Этот шум нарушает суперпозицию, заставляя состояние кубита коллапсировать и фактически терять квантовое преимущество. Следовательно, существующая квантовая память длится всего миллисекунды.
Используемые в этом исследовании магноны продемонстрировали замечательную стабильность. Они сохранялись в течение нескольких минут даже при взаимодействии с механической поверхностной волной — решающий фактор для хранения квантовых данных. Такая прочность связана с тем, как информация закодирована в частоте манона, которая менее уязвима к внешним помехам по сравнению с ориентацией спинов.
«Очевидная идея заключается в том, чтобы действительно приблизиться к квантовому пределу и посмотреть, насколько далеко мы можем зайти», — сказал Макинен. Команда представляет собой то, что эти механически сопряженные хрусталлики времени могут быть мостом между квантовыми процессорными блоками и модулями памяти в будущих квантовых компьютерах. Это могло бы позволить хранить информацию о кубитах дольше, что откроет путь для более сложных вычислений и новых горизонтов в области квантовых вычислений.
Уроки оптомеханики
Интересно отметить, что исследование также раскрывает захватывающие параллели с оптомеханикой — областью, где свет взаимодействует с механическими резонаторами. Тонкое воздействие фотона, ударяющего по зеркалу, прикрепленному к пружине (традиционный пример), изменяет энергию пружины. Эта аналогия дает ценные теоретические сведения об образе поведения хрусталликов времени, сопряженных с механическими волнами.
Сходства предполагают, что уже установленные принципы оптомеханики можно применить для понимания и управления этими новыми системами хрусталликов времени. «Оптомеханика — это такой общий принцип во многих областях физики, поэтому его можно использовать в огромном разнообразии различных систем», — заявил Макинен.
Эти открытия прокладывают путь для дальнейшего исследования сопряжения хрусталликов времени с различными механическими резонаторами, что потенциально приведет к созданию еще более надежных и эффективных решений квантовой памяти в будущем. Путь к созданию отказоустойчивых и масштабируемых квантовых компьютеров кажется все ближе с каждым таким прорывным открытием.
