Учени са изобретили микроскоп, който може да манипулира квантовото състояние на отделни електрони – възможен пробив в квантовите компютри

Физици от университета в Регенсбург в Германия са открили начин да манипулират квантовото състояние на отделни електрони с помощта на микроскоп с атомна разделителна способност. Резултатите от изследването са публикувани в известното списание Nature. Това може да бъде от голямо значение за квантовите изчисления.

Както е известно, светът около нас се състои от молекули. Молекулите са толкова миниатюрни, че дори една прашинка съдържа безброй от тях. Още по-изненадващо е, че в днешно време с помощта на микроскоп е възможно да се изследват с висока точност не само молекулите, но дори и атомите, от които са съставени те. Последното изобретение на физиците е наречено „микроскоп на атомната сила“.

За разлика от оптичния микроскоп, микроскопът на атомната сила работи на други принципи: работата му се основава на чувствителността на най-малките сили между върха на устройството и изследваната молекула. При този подход към изследванията е възможно да се получи „изображение“ на вътрешната структура на молекулата. Въпреки това, наблюдавайки молекулата по този начин, не може да се каже със сигурност, че методът позволява да се узнаят всички нейни свойства. Например, сега е много трудно да се определи кои атоми изграждат молекулата.

За щастие има и други инструменти за определяне на състава на молекулите. Един такъв метод е електронният спинов резонанс, който се основава на същите принципи като магнитния резонанс в медицината. При електронно-спиновия резонанс обаче обикновено са необходими безброй молекули, за да се получи достатъчно силен сигнал за откриване. По този начин не е възможно да се получи достъп до свойствата на всяка молекула, а само до тяхната средна стойност.

Изследователи от Университета в Регенсбург, ръководени от проф. д-р Яша Реп от Института по експериментална и приложна физика вече са интегрирали електронния спинов резонанс в атомно-силовата микроскопия. Особено важно е, че електронният спинов резонанс се записва директно с върха на микроскопа, така че сигналът идва само от една отделна молекула. По този начин учените могат да характеризират отделни молекули. Това дава възможност веднага да се определи кои атоми изграждат изследваната молекула.

Квантовите компютри съхраняват и обработват информация, която е кодирана в квантовото състояние. За да могат да извършват изчисления, квантовите компютри трябва да манипулират квантовото състояние, без да губят информация чрез така наречената декохерентност. Тук си струва да се отбележи, че декохеренцията е процес на нарушаване, всъщност, на кохерентността (връзката между две квантово заплетени частици), причинена от взаимодействието на квантовомеханичната система с околната среда чрез термодинамично необратим процес.

Изследователите от Регенсбург са показали, че с новата си техника могат да манипулират квантовото състояние в една молекула много пъти, преди това състояние да се разпадне. Тъй като методът на микроскопията може да изобразява отделни части на молекулата, новата техника може да ни помогне да разберем как декохерентността в квантовия компютър зависи от атомната среда и евентуално как да я избегнем, а това е пътят към по-прости и, което е по-важно, по-точни квантови компютри.