КОЛУМБУС, Огайо - Ученые из Университета штата Огайо сделали шаг к разработке новых мощных компьютеров, проделав крошечные отверстия, которые вообще ничего не содержат.
Дыры - темные пятна на поверхности лазерного излучения в форме картонной коробки для яиц - однажды могут стать колыбелью атомов для квантовых вычислений.
Во всем мире ученые спешат разработать компьютеры, использующие квантово-механические свойства атомов, объяснил Грег Лафиатис, доцент кафедры физики в штате Огайо. Эти так называемые квантовые компьютеры могут обеспечить гораздо более быстрые вычисления, чем это возможно сегодня. Одна из стратегий создания квантовых компьютеров заключается в размещении отдельных атомов на чипе, чтобы лазерные лучи могли считывать квантовые данные.
Лафьятис и докторант Катарина Кристандл недавно разработали чип с верхней поверхностью лазерного излучения, который функционирует как массив крошечных ловушек, каждая из которых потенциально может удерживать один атом. Дизайн может позволить читать квантовые данные так же, как сегодня читаются компакт-диски.
Они описали свою работу в журнале Physical Review A.
Другие исследовательские группы создали аналогичные массивы, называемые оптическими решетками, но эти конструкции имеют проблемы, которые могут затруднить их практическое использование. Другие решетки замыкают атомы в многослойный куб, парящий в свободном пространстве. Но манипулировать атомами в центре куба будет сложно.
Решетка штата Огайо имеет более практичную конструкцию, с одним слоем атомов, заземленным чуть выше стеклянного чипа. С каждым атомом можно было манипулировать одним лазерным лучом.
Решетка образуется там, где два набора лазерных лучей пересекаются внутри тонкого прозрачного покрытия на чипе. Лучи пересекаются друг с другом, создавая сетку пиков и впадин - световой узор в форме коробки для яиц.
Физики ожидали увидеть это, когда они впервые моделировали свою решетку на компьютере. Но, к их удивлению, моделирование показало, что в каждой долине есть темное пятно, крошечная пустая сфера, окруженная электрическими полями, которые идеально подходят для захвата отдельных атомов и удержания их на месте, сказал Лафиатис..
В лаборатории он и Кристандл смогли создать оптическую решетку света, хотя ловушки слишком малы, чтобы увидеть их невооруженным глазом. Следующий шаг - проверить, действительно ли ловушки работают так, как предсказывает модель.
«Мы почти уверены, что можем улавливать атомы - первый шаг к созданию чипа квантовой памяти», - сказал Лафиатис. Однако до рабочего компьютера, основанного на такой конструкции, еще много лет, предупредил он.
На самом деле, Кристандль подозревает, что им осталось по меньшей мере два года от того, чтобы изолировать один атом на каждую ловушку - физическое устройство, необходимое для настоящего устройства квантовой памяти.
"Сейчас мы просто пытаемся загнать атомы в ловушки, и точка", - сказала она.
На данный момент им удалось сформировать около миллиарда газообразных атомов рубидия в облако размером с горошину с магнитными полями. Теперь они работают над тем, чтобы переместить это облако над чипом, поддерживающим оптическую решетку.
Теоретически, если правильно выпустить атомы над чипом, атомы попадут в ловушки. Они надеются, что смогут выполнить этот последний тест до того, как Кристандль закончит учебу в августе.
Если они добьются успеха, выигрыш потенциально огромен.
И правительство, и промышленность заинтересованы в квантовых вычислениях, потому что ожидается, что традиционные чипы достигнут своего рода технологического предела скорости примерно через десятилетие. Когда это произойдет, для более быстрых и мощных компьютеров потребуется новое оборудование.
"Бит" в обычных компьютерных микросхемах может кодировать данные только одним из двух способов: единицей или нулем - числами, составляющими двоичный код. Но если квантовые теоретики правы, квантовые биты или кубиты позволят более эффективно решать проблемы, потому что кубит может одновременно кодировать и ноль, и единицу. Это позволяет квантовому компьютеру эффективно выполнять большое количество вычислений одновременно.
«В принципе, квантовым компьютерам потребуется всего 10 000 кубитов, чтобы превзойти современные современные компьютеры с миллиардами и миллиардами обычных битов», - сказал Лафиатис.
Ученые предположили, что кубиты могут обеспечить дальнюю связь и взлом кода. Но Кристандл считает, что эта технология может служить еще более важной цели для науки в целом, обеспечивая компьютерное моделирование.
Квантовая механика пытается объяснить, как атомы и молекулы ведут себя на фундаментальном уровне, поэтому моделирование квантовых систем может продвинуть вперед исследования в таких разных областях, как астрофизика, генетика и материаловедение.
«Квантовый компьютер - идеальный инструмент для таких симуляций, потому что он сам является квантовой системой», - сказал Кристандл.
Соавторами статьи были Джин-Фа Ли, адъюнкт-профессор электротехники, и докторант Сын-Чеол Ли из Электронаучной лаборатории штата Огайо.
Исследовательская корпорация финансировала эту работу.