В настоящее время в лабораториях всего мира тестируются десятки различных квантовых систем, перспективных для создания масштабируемых квантовых процессоров и накопителей информации. Среди них привлекают внимание нейтральные атомы, так как их довольно слабое взаимодействие со средой дает надежды на значительное уменьшение вычислительных ошибок.

Недавно группа физиков из Коммерческого отдела Национального института стандартов и технологий (NIST), руководимая лауреатом Нобелевской премии Уильямом Филипсом, достигла успеха в управлении поведением массива нейтральных атомов, заключенных в 3-мерную оптическую решетку, созданную с помощью пучков лазерного излучения ("Nature", 26 июля). В частности, ученым удалось реализовать операцию обмена, в которой пары атомов обменивались своими внутренними спиновыми состояниями. Такой спиновый обмен вызывает запутывание состояний пар атомов, что и делает его интересным для реализации логических операций.

В проведенном в NIST эксперименте использовался так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC)¹ из 60 тысяч атомов рубидия. Эти атомы были захвачены в трехмерную оптическую решетку, созданную тремя парами лучей лазеров инфракрасного излучения. Лазеры размещались таким образом, чтобы образовывались пары энергетических "ям", в которых атомы и удерживались. В каждую из ямок пары помещалось по одному атому со спином "вверх" (1) и по одному атому со спином "вниз" (0). Затем все парные ямки сливались, так что все пары атомов оказывались в одной яме и могли взаимодействовать друг с другом. По законам квантовой механики при помещении одинаковых атомов в одно место возникает особый тип симметрии, когда только две из четырех возможных комбинаций квантовых состояний оказываются допустимыми. В силу этого атомы осциллируют так, что сначала один атом находится в состоянии 1, а второй - в состоянии 0, а затем наоборот. Такое поведение уникальное для идентичных частиц. Оно напоминает популярный некогда танец "кадриль", в котором пары обмениваются партнерами.

Оказалось, что в моменты "полуобмена" спин каждого из атомов становится неопределенным, т.е. атом находится в суперпозиции спиновых состояний (1 и 0 одновременно). Но, если измерение его состояния даст в результате 1, то состояние второго окажется в точности 0. Т.е. состояния пар атомов оказываются "запутанными" (entangled). В проведенном эксперименте квантовая "обменная симметрия" впервые была использована для запутывания состояния атомов. А квантовое запутывание является весьма важным условием для выполнения эффективных квантовых вычислений.

Полученные результаты достаточно обнадеживающие, хотя в обмене участвовало примерно 65% двойных ямок. Так некоторые из ямок оказывались без парных атомов в силу несовершенства процедуры загрузки атомов в оптическую решетку. Кроме того, эффект пока не масштабируем, поскольку в обмене одновременно участвовали все пары атомов. Масштабируемость будет возможна, когда удастся реализовать манипуляцию отдельными парами в решетке. Над решением этих задач и продолжают работать ученые.

Сергей САНЬКО

1 Конденсат Бозе-Эйнштейна - это особое состояние материи, в котором все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии.