Свет и материя могут долго не достигать теплового равновесия, что поможет квантовым компьютерам

Новое теоретическое исследование, проведённое под руководством Университета Буффало, показало, что фотоны и атомы не всегда быстро достигают теплового равновесия, даже при длительном взаимодействии. Это открытие может помочь в масштабировании нейтрально-атомных квантовых компьютеров.

Тепловое равновесие — процесс, при котором взаимодействующие частицы обмениваются энергией и выравнивают температуру. Обычно при захвате света в ловушку с материей это происходит быстро. Однако физики обнаружили, что при определённых условиях фотоны и атомы могут длительное время сохранять разные, а в некоторых случаях даже противоположные температуры.

Эти так называемые предтепловые состояния мимолётны по человеческим меркам, но для нейтрально-атомных квантовых компьютеров, использующих взаимодействие фотонов и атомов для хранения и обработки информации, даже миллисекунды имеют значение.

«Тепловое равновесие изменяет квантовые свойства, фактически стирая ту самую информацию, которую эти свойства представляют в квантовом компьютере. Поэтому задержка теплового равновесия между фотонами и атомами — даже на несколько миллисекунд — даёт временное окно для сохранения и обработки полезного квантового поведения», — пояснил ведущий автор исследования, доцент физики Джамир Марино.

В нейтрально-атомных компьютерах кубитом является отдельный атом, часто возбуждённый в так называемое ридберговское состояние. Их преимущество — более простая аппаратная часть: вместо сложной проводки для сверхпроводящих кубитов атомные кубиты можно улавливать, контролировать и связывать с помощью световых лучей. Однако это вызывало опасения, что свет мгновенно приведёт к тепловому равновесию с атомами и нарушит хрупкое квантовое поведение.

Моделирование, проведённое командой, показало, что если массив нейтральных атомов поместить в оптический резонатор (пару зеркал, захватывающих свет), то после начального обмена энергией атомы и фотоны иногда перестают эффективно делиться энергией, сохраняя разные температуры. В некоторых случаях атомы даже устанавливаются на отрицательной температуре, а фотоны — на положительной.

«Моделирование демонстрирует, что действительно может быть возможно использовать свет для связи больших нейтрально-атомных массивов, не стирая квантовую информацию», — отметил соавтор работы Хоссейн Хоссейнабади.

В конечном итоге, по мере утечки фотонов из резонатора, это предтепловое состояние разрушается, и система приходит к равновесию. Однако открытие временного окна, когда этого не происходит, открывает путь к созданию более масштабируемых квантовых систем, где свет, излучаемый атомами, может естественным образом связывать отдельные массивы кубитов.

ИИ: Это фундаментальное открытие в области квантовой физики может стать ключом к преодолению одного из основных препятствий на пути создания практичных нейтрально-атомных квантовых компьютеров. Возможность «удерживать» систему в полезном квантовом состоянии даже на миллисекунды дольше — огромный шаг вперёд для всей отрасли.