Кубіти, дивні пристрої в основі квантового комп'ютера, які можна встановити на 0, 1 або обидва значення одночасно, навряд чи могли б відрізнятися від механічних годинникових механізмів, що використовуються в перших комп'ютерах. Сьогодні більшість квантових комп'ютерів покладаються на кубіти, зроблені з крихітних ланцюгів надпровідного металу, окремих іонів, фотонів чи інших речей. Але тепер фізики створили робочий кубіт з крихітної машини, що рухається, досягнення, яке відсилає до початку 20-го століття, коли перші комп'ютери використовували механічні перемикачі.
"Протягом багатьох років люди думали, що неможливо створити кубіт з механічної системи", — говорить Адріан Бахтольд, фізик конденсованого стану в Інституті фотонних наук, який не брав участі в роботі, опублікованій в журналі Science. Стефан Дюрр, квантовий фізик з Інституту квантової оптики Макса Планка, каже, що результат «відкриває нову систему на карті», яку можна використовувати в інших експериментах, і, можливо, для дослідження інтерфейсу квантової механіки та гравітації.
Кубітом може бути будь-яка система, що має два квантові стани з різними енергіями, які можна ізолювати від усіх її інших станів. Наприклад, надпровідний кубіт — це схема, яка хлюпає незгасним струмом і має нижчий енергетичний стан, що становить 0, і більш високий енергетичний стан, що представляє 1. Застосовуючи мікрохвилі потрібної частоти, дослідники можуть перевести його в один або інший стан або будь-яку комбінацію із двох.
Теоретично, крихітний віджет, що вібрує з механічним рухом, теж може бути кубітом. У найменшому масштабі вібрації квантуються і складаються з нескінченно малих енергетичних пакетів, званих фононами, як і світло складається з фотонів певних енергій. Проте, здавалося б, механічний осцилятор погано підходить до створення кубіта.
Перша перешкода — змусити пристрій сидіти якомога більш нерухомо. Через квантову невизначеність крихітний об'єкт ніколи не буває нерухомим, навіть при температурі абсолютного нуля. З усім тим, у 2010 році фізикам вдалося охолодити механічний осцилятор - мікроскопічний трамплін, який вібрував на частоті 6 гігагерців - до найменш енергетичного основного стану. Вони навіть полегшили перехід віджета до його наступних кількох станів, подаючи йому енергію по одному фонону за раз.
Але виникає друга проблема. Механічний осцилятор має «гармонічні» енергетичні стани, рівномірно розподілені, як сходи. Це унеможливлює перспективу ізолювати та контролювати два з них для формування кубіта: стимул, який переводить один стан у вищий стан, також переводить цей вищий стан у наступний вищий і так далі. Проблема «в тому, чи зможете ви зробити енергетичні рівні досить нерівномірно рознесеними, щоб ви могли звернутися до двох із них, не торкаючись інших», — каже Івен Чу, фізик з ETH Zürich (ETHZ).
Понад десять років Дюрр та інші квантові фізики вважали, що ця проблема нерозв'язна. «Ми говорили: «Добре, що вони можуть досягти основного стану, але у них є тільки ці рівновіддалені сходи [станів]. Важко зрозуміти, як вони виберуться із цієї проблеми».
Тепер Чу та її команда зробили саме це, використовуючи двокомпонентну систему. Одна частина — це механічний резонатор, який зовсім не схожий на трамплін. На пластинчастому сапфіровому кристалі товщиною 400 мікрометрів дослідники нанесли крихітний купол з нітриду алюмінію, який розширювався і стискався у відповідь до напруги коливання, посилаючи вібрації в матеріал. Ці коливання відскакуватимуть між поверхнями кристалів і дзвенітимуть сотні мільйонів циклів, перш ніж загаснути.
Інша частина складалася із надпровідного кубіта, оснащеного крихітною антеною, нанесеною на аналогічний сапфіровий кристал. Фізики склали кристали так, щоб антена знаходилася над куполом із нітриду алюмінію. Таким чином, струм, що плескає в надпровідному кубіті, збуджував коливання в механічному осциляторі.
Що важливо, дослідники змогли налаштувати коливальний струм надпровідного кубіта так, щоб його частота була злегка зміщена відносно частоти механічного осцилятора. В результаті квантові стани надпровідного кубіта злегка злилися з квантовими станами механічного осцилятора, утворивши єдину систему, в якій енергії гібридизованих станів більше не були рівномірно розподілені.
Ця викликана «ангармонічність» дозволила дослідникам ізолювати два найнижчі енергетичні стани об'єднаної системи як стани 0 і 1 кубіту. Використовуючи надпровідний кубіт як контролер, команда ETHZ показала, що може досягти будь-якої комбінації 0 і 1 в механічному кубіті. «Головним завданням було знайти оптимальний робочий стан, у якому ми викликаємо досить сильну ангармонічність, зберігаючи при цьому механічний режим», — каже Ігор Кладарич, аспірант ETHZ.
Новий механічний кубіт навряд чи зможе найближчим часом скласти зрілішу конкуренцію. Його точність – міра того, наскільки добре експериментатори можуть встановлювати бажаний ними стан – становить лише 60% порівняно з більш ніж 99% для найкращих кубітів. З цієї причини це принциповий крок вперед, каже Бахтольд.
Але Дюрр зазначає, що механічний кубіт може бути надчутливим зондом сил, таких як гравітація, які впливають на інші кубіти. І дослідники ETHZ сподіваються просунути свою демонстрацію на крок далі, використовуючи два механічні кубіти для виконання простих логічних операцій. "Це те, над чим зараз працює Ігор", — говорить Чу. Якщо їм це вдасться, фізичні перемикачі перших комп'ютерів повернуться.
