Standartų ir technologijų nacionalinio instituto fizikai pirmą kartą sujungė dviejų atskirų jonų kvantines savybes. Tam jie naudojo mikrobangas, o ne įprastus lazerius, tikintis, kad bus įmanoma pakeisti visą kambarį užimantį „lazerių parką“, naudojamą egzotiniuose kvantiniuose skaičiavimuose, miniatiūrine komercine mikrobangų technologija, panašia į naudojamą išmaniuosiuose telefonuose.
Standartų ir technologijų nacionalinio instituto (angl. National Institute of Standards and Technology) fizikai pirmą kartą sujungė dviejų atskirų jonų (elektriškai įkrautų atomų) kvantines savybes. Tam jie naudojo mikrobangas, o ne įprastus lazerius, tikintis, kad bus įmanoma pakeisti visą kambarį užimantį „lazerių parką“, naudojamą egzotiniuose kvantiniuose skaičiavimuose, miniatiūrine komercine mikrobangų technologija, panašia į naudojamą išmaniuosiuose telefonuose.
Mikrobangos, kurios naudojamos bevieliame ryšyje, buvo anksčiau vykdytuose eksperimentuose pritaikytos valdant atskirus jonus. Tačiau NIST mokslininkų grupė yra pirmoji mokslininkų grupė, kuri patalpino mikrobangų šaltinius pakankamai arti jonų (apie trisdešimt mikrometrų atstumu) ir sukūrė sąlygas susietumui atsirasti. Kvantinis susietumas yra efektas, kuris, kaip manoma, gali būti pagrindiniu įrankiu perduodant informaciją ar taisant kvantinių kompiuterių klaidas.
Atliktas eksperimentas buvo aprašytas straipsnyje, atspausdintame „Nature“ žurnale. Darbe mikrobangų šaltiniai buvo patalpinti tiesiai ant kompiuterinio lusto dydžio jonų gaudyklės. Naudota stalo dydžio lazerių, veidrodžių ir lęšių sistema, kuri yra apie dešimt kartų mažesnė nei ankstesniuose eksperimentuose naudota. Nors nedidelės galios ultravioletinių spindulių lazeriai reikalingi šaldant jonus bei gautų rezultatų stebėjimui, tačiau jie gali būti pagaminti labai mažų dydžių, panašių į naudojamus nešiojamuose DVD grotuvuose. Lyginant su sudėtingais ir brangiais lazerių šaltiniais, mikrobangų šaltiniai gali būti praplėsti bei tobulinami labai lengvai. Tai leistų pagaminti sistemas, susidedančias iš tūkstančius jonų.
Mikrobangų prietaisas, naudotas NIST kvantinio skaičiavimo eksperimentuose
„Galima įsivaizduoti patogų kvantinį kompiuterį, kuris atrodys kaip išmanusis telefonas. Galingesni kompiuteriai gali būti įprasto stalinio kompiuterio dydžio, – pasakė NIST fizikas Ditrichas Libfridas (Dietrich Leibfried), kuris yra vienas iš straipsnio autorių. – Nors niekas negalvoja apie kvantinius kompiuterius, kaip patogius prietaisus, kuriuos kiekvienas norės nešiotis, juose būtų galima panaudoti mikrobangų elektroniką, panašią į naudojamą išmaniuosiuose telefonuose. Šie įrenginiai yra gerai ištobulinti ir plačiai naudojami rinkoje, todėl jų kaina nėra didelė. Tokia perspektyva mus ir įkvėpė.“
Kvantiniuose kompiuteriuose naudos neįprastas kvantinės fizikos taisykles sprendžiant tam tikras problemas. Pavyzdžiui, kvantiniai kompiuteriai pajėgs nulaužti dabar plačiai naudojamas šifravimo programas, kurių neįveikia net pajėgiausi dabartiniai superkompiuteriai. Artimiausi tiriami uždaviniai būtų įvairių mokslinių problemų sprendimas, pavyzdžiui, aukštatemperatūrinio superlaidumo kvantinių savybių tyrimas. Aukštatemperatūrinis superlaidumas yra tam tikrų medžiagų savybė, kai prie žemų temperatūrų dingsta elektrinė varža.
Jonai yra vieni svarbiausių kandidatų, kurie gali būti naudojami kuriant kvantinius bitus (kubitus). Kvantiniai bitai skirti informacijos saugojimui kvantiniuose kompiuteriuose. Kitais daug žadančiais kubitų kandidatais yra superlaidžios grandinės (arba dirbtiniai atomai), kurios gaminamos lustuose naudojant mikrobangas. Tačiau jonų kubitų eksperimentiniai tyrimai yra žymiai toliau pasistūmėję į priekį ta prasme, kad gali būti valdomas žymiai didesnis jonų skaičius su didesniu tikslumu bei mažesniu informacijos praradimu.
Ta pati NIST mokslininkų grupė ankstesniuose eksperimentuose naudojo jonus ir lazerius tirdami bazinius kvantinių kompiuterių komponentus ir procesus. Paskutiniuosiuose savo eksperimentuose ši grupė panaudojo mikrobangas atskiro magnio jono sukiniui pasukti bei jonų poros sukiniams susieti. Tai yra universalus kvantinės logikos operacijų rinkinys, kadangi sukimasis ir susietumas gali būti sujungti į seką, kuri įgalina bet kokius skaičiavimus, leidžiamus kvantinės mechanikos.
Eksperimentuose du jonai buvo išlaikomi elektromagnetinio lauko. Jonai buvo išlaikomi virš jonų gaudyklės lusto, sudaryto iš aukso elektrodų, pritvirtintų prie aliuminio nitrido pagrindo. Kai kurie elektrodai buvo suaktyvinami ir sukurdavo mikrobangų impulsus apie jonus. Spinduliavimo dažnis buvo nuo vieno iki dviejų gigahercų. Mikrobangų sukurtas magnetinis laukas buvo panaudotas sukant jonų sukinius. Sukinius galima įsivaizduoti kaip mažyčius magnetus, kurie nukreipti įvairiomis kryptimis. Šių mažyčių magnetų kryptis yra viena iš kvantinių savybių, kuri gali būti panaudota informacijai saugoti.
Mokslininkai susiejo jonus pritaikę metodą, pirmą kartą jų išvystytą lazeriams. Jei mikrobangų magnetinis laukas nuosekliai didėja skersai jonų tam tikru nustatytu būu, jonų judėjimas gali būti sužadinamas priklausomai nuo sukinių orientacijos. Sukiniai gali tapti susieti tokio proceso metu. Mokslininkams reikėjo rasti teisingą trijų elektrodų kombinaciją. Šie elektrodai užtikrino optimalų osciliuojančio magnetinio lauko kitimą. Susietų jonų savybės tarpusavyje yra priklausomos, tai yra vieno jono matavimai atskleidžia kito jono būseną.
Mikrobangų panaudojimas sumažina klaidas, kurios būdingos naudojant lazerius, pavyzdžiui, lazerio spindulio krypties bei galingumo nestabilumai, bei lazerio iššaukta jonų spontaninė emisija. Tačiau mikrobangų panaudojimas turi būti tobulinamas norint vykdyti praktinius kvantinius skaičiavimus. NIST mokslininkai kvantinį susietumą išlaikė 76 procentus matavimų laiko. Tai yra žymiai daugiau reikalaujamos minimalios 50 procentų ribos, tačiau žymiai mažiau, nei 99,3 procentai matavimo laiko, kurį dabar pasiekia lazeriu valdomos operacijos.
NIST grupė planuoja tobulinti mikrobangų operacijas, kad sumažintų nepageidaujamus jonų judėjimus. Taip pat reikia ištirti, kaip sumažinti trukdžius, atsirandančius tarp skirtingų to paties lusto zonų. Pavyzdžiui, loginėms operacijoms bei artimų kubitų valdymui galima būtų panaudoti skirtingus dažnius. Mažesnės jonų gaudyklės užtikrintų greitesnes operacijas, tačiau reikia surasti būdus, kaip sumažinti nepageidaujamą šilumos išsiskyrimą.
