Атом превратился в посланника света: новый кубит рушит границы реальности

Учёные представили новый тип квантового бита, созданного из единственного атома эрбия — редкоземельного элемента с уникальными магнитными и оптическими свойствами. Это открытие может соединить квантовые компьютеры с уже существующими телекоммуникационными сетями. Новая технология способна стать основой будущего "квантового интернета". Об этом сообщает журнал Science.

Квантовая связь будущего

Исследователи создали молекулярный кубит, способный передавать данные на тех же длинах волн, что и современные оптоволоконные линии. Такой подход позволяет интегрировать технологию в кремниевые чипы, а значит — создавать более компактные и энергоэффективные устройства. Принцип работы основан на способности атома эрбия одновременно хранить информацию в магнитной форме и передавать её с помощью света, что перекликается с исследованиями временного отражения в волновых средах. Это делает кубит универсальным элементом для построения сетей, где данные кодируются не электрическим током, а квантовыми состояниями материи.

"Демонстрируя универсальность этих молекулярных кубитов на основе эрбия, мы делаем ещё один шаг к масштабируемым квантовым сетям, которые смогут подключаться прямо к существующей оптической инфраструктуре", — отметил профессор молекулярной инженерии и физики Чикагского университета Дэвид Ошалом.

Как работает молекулярный кубит

В классических компьютерах информация кодируется в двоичной системе — нулями и единицами. В квантовых системах всё иначе: кубиты способны находиться сразу в нескольких состояниях, что позволяет им выполнять расчёты значительно быстрее. В отличие от других типов кубитов — сверхпроводящих или ионных, молекулярные кубиты строятся вокруг отдельных атомов или молекул. Квантовое состояние определяется спином электрона, то есть направлением его микроскопического магнитного поля. Благодаря этому кубит может представлять не только 0 или 1, но и их комбинацию, создавая суперпозицию состояний.

Уникальность нового кубита заключается в его двойной природе. Он совмещает свойства магнитного (spin) и фотонного (photonic) кубитов. Учёные показали, что спин атома эрбия можно точно контролировать и помещать в состояние суперпозиции. Поскольку спин напрямую влияет на длину волны излучаемого света, исследователи смогли считывать квантовую информацию с помощью стандартных методов оптической спектроскопии.

"Эти молекулы способны выступать в роли наномостов между мирами магнетизма и оптики. Информацию можно закодировать в магнитном состоянии и затем считать с помощью света — при этом использовать длины волн, совместимые с существующими оптоволоконными сетями и фотонными схемами на кремнии", — рассказала Лиа Вайс, соавтор исследования и научный сотрудник Чикагской школы молекулярной инженерии.

Преимущества телеком-диапазона

Работа в телекоммуникационном диапазоне даёт технологии два серьёзных преимущества. Во-первых, сигналы, передаваемые на таких длинах волн, проходят на большие расстояния с минимальными потерями, что важно для передачи квантовых данных между удалёнными устройствами. Во-вторых, свет в этом диапазоне свободно проходит через кремний — основной материал для полупроводниковых микросхем. Это значит, что кубиты на основе эрбия можно будет внедрять прямо в чипы, не теряя данных при передаче.

Ошалом отметил, что каждый кубит представляет собой одну молекулу, размер которой примерно в сто тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Благодаря синтетической химии можно точно настраивать структуру таких молекул, адаптируя их для разных условий — от твёрдотельных устройств до биологических систем. Подобно тому как инновационные материалы MIT превращают привычные структуры в носители энергии, кубиты на основе эрбия могут встроиться в существующие чипы без потери эффективности.

"Интеграция — ключевой этап масштабирования квантовых технологий и одна из главных задач современной науки. Мы работаем над тем, чтобы встроить эти кубиты прямо в микросхемы, что откроет новые возможности для управления, детектирования и связи молекул", — подчеркнул учёный.

Перспективы квантового интернета

По словам исследователей, разработка открывает путь к созданию надёжной инфраструктуры для обмена квантовыми данными на глобальном уровне. Если технология будет доведена до промышленного применения, она сможет обеспечить передачу информации с высокой скоростью и без риска перехвата. На её основе могут появиться защищённые коммуникации, распределённые вычислительные сети и новые системы квантового шифрования.

Создание кубитов, совместимых с существующими телекоммуникационными системами, приближает человечество к эпохе, когда квантовые компьютеры смогут взаимодействовать друг с другом на расстоянии. Это не просто научный прорыв, а шаг к новой архитектуре вычислений и связи, где свет и материя станут единым языком данных.