Платформы на основе нейтральных атомов активно используются для реализации алгоритмов, кодов коррекции ошибок квантовых систем и проведения иных экспериментов. Ключевые параметры, необходимые для масштабирования системы и практического применения квантовых вычислений, демонстрируют высокие показатели: время жизни атомов в микроловушках достигает десятков минут, а точность многокубитных операций превышает 97 процентов.

В отличие от ионов, чтобы заставить нейтральные атомы взаимодействовать между собой, нужно перевести их в высоко возбужденные состояния — перевести внешний электрон на очень высокий уровень, вплоть до тысячного. Такие высоковозбужденные атомы называются ридберговскими. Они имеют значительно больший радиус взаимодействия в сравнении с невозбужденными и могут им обмениваться между собой. Остается придумать, как их удерживать в ловушке, в которой происходит превращение из обычного атома в ридберговский. Обычно во время этого процесса атом с одним внешним электроном перестает чувствовать притяжение ловушки, в которой находится. В самом простом случае операцию над ним стараются сделать как можно быстрее, пока сам атом покидает ловушку. Однако эти времена отличаются всего лишь в десятки раз, поэтому масштабировать такой подход сложно.

Перспективный вариант для реализации сложных операций — использование атомов с двумя электронами на внешнем уровне. Физики из института оптики в Париже под руководством Игоря Ферье-Барбута (Igor Ferrier-Barbut) выбрали именно его и смогли поймать в ловушку атомы диспрозия-162, собрав массив из 25 атомов, упакованных в регулярную матрицу.

Диспрозий относится к семейству лантаноидов, которые ученые изначально рассматривали как атомы для создания масштабируемых вычислительных систем. Проблема в том, что атомы с одним электроном на внешнем уровне поддаются расчетам и для них можно заранее спрогнозировать поведение и подобрать подходящие условия. А вот для двухэлектронных атомов такая задача оказывается вычислительно сложной, поэтому просто поймать их в ловушку и удерживать там — уже большая задача.

Авторы охлаждали атомы диспрозия-162 с помощью двухмерной магнито-оптической ловушки, потом перенаправляли их и ловили с помощью двух вложенных друг в друга типов ловушек (core-shell), использующих две длины волны. После этого они накачивали атомы на длине волны 532 нанометра и отстраивали их по частоте от резонансной частоты ловушки. Такой многоэтапный процесс позволяет создать магическую ловушку, в которой атомы смогут стабильно находиться длительное время. Важно отметить, что для диспрозия ширину этой отстройки можно регулировать меняя поляризацию ловушки, а не подстраивать всю систему под определенную фиксированную отстройку.

Комбинация из 25 ловушек позволила физикам собрать массив 5×5 атомов с десятимикрометровым зазором между ними, перетяжка ловушки при этом составила 500 нанометров. Чтобы получить изображение атомов в матрице, физики следили за их флуоресценцией. С помощью стандартной полупроводниковой камеры они измеряли число фотонов вблизи каждой из узлов матрицы и выяснили, что за один подход им удается заполнить больше 50 процентов всех узлов. Измерение в течение 30 миллисекунд показало полностью заполненную матрицу.

Авторы предлагают использовать разработанную систему для создания атомных волноводов или для непосредственной подготовки расширенных моделей Бозе — Хаббарда с помощью оптических пинцетов.

Чаще предметом исследования атомов с двумя валентными электронами оказывается иттербий — его уже удалось охладить до очень низких температур. А на атомах с одним электроном помимо вычислений ученые умеют делать очень точные часы и даже использовать их, чтобы стримить игры.

Для любознательных: Квантовый магнетизм в оптических решетках: Зачем физики создают стабильные массивы атомов диспрозия

Изучение квантовых систем на уровне отдельных частиц проделало путь от мысленных экспериментов начала XX века до создания полностью контролируемых искусственных квантовых систем. На заре квантовой механики такие ученые, как Альберт Эйнштейн, Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг, описывали поведение единичных атомов лишь теоретически, полагая, что изолировать и индивидуально контролировать их в лаборатории технически невозможно.

Ситуация коренным образом изменилась в последней четверти XX века. В 1970–1980-х годах развитие методов лазерного охлаждения и улавливания атомов, за которые Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Филлипс получили Нобелевскую премию по физике в 1997 году, позволило замедлять нейтральные атомы до сверхнизких температур (порядка микро- и нанокельвинов). В начале 2000-х годов физики научились создавать так называемые оптические решетки — искусственные кристаллы из света, образованные интерференцией лазерных лучей, в узлах которых, словно в ячейках для яиц, удерживаются одиночные атомы.

Долгое время главными «рабочими лошадками» в экспериментах с ультрахолодными газами были щелочные металлы — рубидий,  цезий и натрий. Они обладают простой электронной структурой с одним валентным электроном, что облегчало их лазерное охлаждение. Однако их магнитное взаимодействие крайне слабо, а межчастичные столкновения носят короткодействующий (контактный) характер. В 2010-х годах научное сообщество совершило прорыв, научившись охлаждать лазерами лантаноиды — высокомагнитные редкоземельные элементы с незаполненной 4f – электронной оболочкой. Флагманом этого направления стал диспрозий, обладающий экстремальным магнитным моментом (10 магнетонов Бора).

Создание стабильных, геометрически упорядоченных массивов из атомов диспрозия (например, матриц 5 х 5 или 10 х 10) с помощью лазерных пинцетов) и прецизионное измерение их характеристик стали кульминацией этой исторической эволюции. Это открыло физикам прямой доступ к изучению дальнодействующих квантовых эффектов, которые ранее были недоступны в лаборатории.

1. Создание кубитов с сильным диполь-дипольным взаимодействием

Главное фундаментальное отличие диспрозия от традиционного рубидия — наличие огромного магнитного момента. Из-за этого атомы диспрозия в массиве ведут себя как крошечные, но очень мощные стрелки компаса, которые «чувствуют» друг друга на больших расстояниях.

Примеры реализации и применения:

• Реализация двухкубитных вентилей CNOT без ридберговского возбуждения: В классических процессорах на нейтральных атомах для создания квантовой запутанности атомы нужно возбуждать лазером в гигантские «ридберговские» состояния, что часто приводит к потере атома из ловушки. Диспрозий позволяет осуществлять операцию Controlled-NOT (CNOT) напрямую через естественное магнитное диполь-дипольное взаимодействие между соседними узлами.
• Подавление квантовой декогеренции: Сильное встроенное взаимодействие позволяет выполнять логические операции значительно быстрее. Поскольку время проведения операции становится много меньше времени жизни кубита, снижается влияние внешних шумов, разрушающих квантовое состояние (декогеренция).
• Создание анизотропных квантовых сетей: Направление магнитных моментов диспрозия можно задавать внешним магнитным полем. Это позволяет делать взаимодействие между кубитами по оси X сильным, а по оси Y — слабым, что открывает путь к созданию направленных каналов передачи квантовой информации внутри одного чипа.
• Генерация многочастично-запутанных (кластерных) состояний: Благодаря дальнодействию дипольных сил, один атом диспрозия может одновременно запутываться не только с ближайшим соседом, но и со следующим за ним атомом, что необходимо для создания основы односторонних (измерительных) квантовых компьютеров.

2. Масштабирование квантовых компьютеров

Чтобы построить универсальный квантовый компьютер, способный решать реальные задачи (например, взламывать шифры или моделировать новые лекарства), требуются тысячи стабильных кубитов, объединенных в единую архитектуру и поддерживающих коды коррекции ошибок.

Примеры реализации и применения:

• Формирование бездефектных решеток (алгоритмы сортировки атомов): При первоначальной загрузке атомов в оптическую решетку ячейки заполняются случайно (в среднем 50% пустых мест). Ученые используют быстрые лазерные пинцеты для измерения позиций атомов диспрозия и физически «сдвигают» их, собирая плотную, идеально заполненную матрицу \(5 \times 5\) или больше, готовую к вычислениям.
• Реализация поверхностного кода (Surface Code): Для коррекции ошибок кубиты должны быть организованы в двумерную сетку, где «физические» кубиты постоянно взаимодействуют со своими соседями для проверки возникновения ошибок. Стабильный массив диспрозия обеспечивает геометрию и силу связи, идеальные для развертывания двумерных кодов коррекции.
• Индивидуальная адресация через субволновой сдвиг: Измерение спектральных характеристик массива позволяет направлять лазерный луч на конкретный атом диспрозия в решетке с шагом менее микрона, меняя состояние только выбранного кубита и не задевая соседние.
• Архитектура с «кубитами-пассажирами» и «кубитами-памятями»: За счет сложной структуры уровней диспрозия в одном массиве можно выделить часть атомов для хранения информации (они стабильны и не реагируют на свет считывания), а другую часть — для проведения вычислений и взаимодействия с внешними фотонами.

3. Настройка «магических» оптических ловушек

Когда атом удерживается в лазерной ловушке, электрическое поле света неизбежно деформирует его электронные оболочки, сдвигая энергетические уровни (эффект Штарка). Это нарушает точность работы квантовых часов и кубитов. «Магическая» длина волны — это особый режим, когда сдвиг нижнего и верхнего рабочих уровней строго одинаков, и лазер перестает вносить погрешность в измерения.

Примеры реализации и применения:

• Поляризационный тюнинг «магической» частоты: Для диспрозия, в отличие от щелочных металлов, «магический» режим критически зависит от геометрии эксперимента. Ученые измеряют характеристики массива, вращая поляризацию удерживающего лазера, и находят угол, при котором частота квантового перехода становится абсолютно нечувствительной к колебаниям интенсивности лазера.
• Сверхточная оптическая спектроскопия: Настройка такой ловушки позволяет измерять внутренние переходы диспрозия с беспрецедентной точностью (до 15-го знака после запятой), что превращает массив в прецизионный датчик гравитационных аномалий или магнитных полей.
• Устранение нагрева атомов при считывании: В немагической ловушке атом при флуоресценции (высвечивании фотонов для считывания информации) начинает колебаться и вылетает из ячейки. В настроенной ловушке массив диспрозия остается «холодным» и стабильным на протяжении тысяч циклов считывания.
• Дипольное сжатие квантовых состояний: Контроль штарковских сдвигов позволяет использовать решетку для генерации «сжатых» состояний атомов, где неопределенность фазы квантовой системы снижается ниже стандартного квантового предела, что важно для квантовой метрологии.

4. Квантовая симуляция сложных материалов

Многие материалы (например, высокотемпературные сверхпроводники) невозможно рассчитать на суперкомпьютерах, так как сложность квантовых уравнений растет экспоненциально с каждым электроном. Массив диспрозия решает эту проблему: физики собирают искусственный «материал» из атомов, где атомы диспрозия имитируют электроны в кристаллической решетке твердого тела.

Примеры реализации и применения:

• Моделирование квантового спинового льда и жидкого стекла: Направляя внешнее поле, ученые заставляют атомы диспрозия в решетке конкурировать за направление магнитных моментов (эффект геометрической фрустрации). Это позволяет «вживую» наблюдать фазовые переходы, происходящие в экзотических магнитных материалах.
• Симуляция модели Хаббарда с дальнодействием: Физики исследуют, как ведут себя сильнокоррелированные системы, где частицы отталкиваются или притягиваются не только вплотную, но и через несколько ячеек решетки. Это ключ к пониманию механизмов нетрадиционной сверхпроводимости.
• Наблюдение стабильных квантовых капель (Quantum Droplets): Измеряя баланс между силами дипольного притяжения и квантовыми флуктуациями (давлением («сворачиванием») квантового вакуума), в массивах диспрозия удается зафиксировать жидкие ультрахолодные капли, которые не испаряются в вакууме и удерживают форму исключительно за счет квантовых эффектов.
• Создание сверхтвердых тел (Supersolids): Это парадоксальное состояние вещества, которое одновременно обладает кристаллической структурой (как твердое тело) и безвязкостным течением (как сверхтекучая жидкость). Эксперименты с массивами диспрозия позволили впервые надежно подтвердить существование этой фазы материи, предсказанной еще в 1969 году.

Перспективы развития технологии и заключение

Технология создания стабильных массивов атомов диспрозия сегодня находится на стыке фундаментальной физики и коммерческого инженерного проектирования квантовых процессоров. В ближайшие годы ключевым вектором развития станет переход от двумерных плоских решеток к трехмерным архитектурам. Физики стремятся создавать «световые кубы» из атомов диспрозия, удерживая тысячи частиц в стабильном состоянии. Это позволит симулировать истинно объемные квантовые материалы и реализовывать отказоустойчивые топологические квантовые вычисления.

Вторая важнейшая перспектива — гибридизация систем. Ученые планируют объединить массивы диспрозия со сверхпроводящими резонаторами или оптическими микрополостями. Мощный магнитный момент диспрозия позволит кубитам эффективно обмениваться информацией с макроскопическими цепями, выполняя роль надежного квантового интерфейса (квантовой памяти) для распределенного квантового интернета.

В долгосрочной перспективе стабилизация магнитных дипольных массивов приведет к созданию коммерческих квантовых симуляторов, способных без проведения дорогостоящих натурных химических экспериментов рассчитывать новые типы аккумуляторов, оптимизировать молекулярные структуры катализаторов и проектировать материалы с заданными магнитными и электрическими свойствами. Диспрозий, бывший некогда лишь экзотическим элементом из конца таблицы лантаноидов, сегодня становится фундаментом для технологического уклада будущего.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему для создания массивов кубитов выбрали именно диспрозий, а не железо, у которого тоже сильные магнитные свойства?

Железо обладает сильным магнетизмом в макроскопическом твердом теле за счет коллективного эффекта (ферромагнетизма). Однако на уровне отдельного изолированного атома в газовой фазе структура энергетических уровней железа крайне сложна и не поддается лазерному охлаждению до нанокельвинов. Диспрозий же имеет уникальное сочетание колоссального магнитного момента одиночного атома и электронной структуры, которая (хоть и с трудом) позволяет применять к нему методы лазерного замедления и улавливания.

Что удерживает атомы диспрозия в массиве и не дает им разлететься или слипнуться?

Их удерживает лазерный свет. Фокусированные лазерные лучи (лазерные пинцеты или оптические решетки) создают пространственный профиль интенсивности. За счет поляризуемости атома он втягивается в область максимальной (или минимальной, в зависимости от частоты) интенсивности света. Получаются потенциальные «ямы». Пока лазер включен и стабилен, атомы сидят в этих ямах. Расстояние между ячеек (около 1–10 микрометров) достаточно велико, чтобы атомы не могли столкнуться физически и слипнуться в кусок металла, но достаточно мало, чтобы они взаимодействовали посредством магнитных полей.

Чем квантовый симулятор на атомах диспрозия отличается от обычного квантового компьютера?

Универсальный квантовый компьютер выполняет произвольные алгоритмы с помощью последовательности квантовых вентилей (кубитов) и предназначен для решения любых задач (математика, криптография). Квантовый симулятор — это специализированное устройство. Физики настраивают геометрию массива диспрозия и взаимодействия между ними так, чтобы эта система в точности копировала уравнения исследуемого материала (например, сложного магнетика). Симулятор не решает абстрактные уравнения, он сам является физическим воплощением этих уравнений.

Каковы главные технические трудности при работе со стабильными массивами диспрозия?

Основная сложность — это чувствительность к внешним магнитным шумам. Поскольку диспрозий гиперчувствителен к магнитному полю, любое колебание фона в лаборатории (от проехавшего за стеной трамвая или работы соседнего прибора) сдвигает уровни энергии и разрушает квантовую информацию. Ученым приходится строить многослойные экраны из мю-металла и использовать прецизионные системы активной компенсации магнитных полей. Вторая трудность — сложность самой лазерной системы: для охлаждения диспрозия требуется одновременно использовать несколько лазеров разных цветов, стабилизированных по частоте с точностью до герца.

Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/