Квантовая машина ( англ. Quantum machine ) — техническое устройство, функционирование которого происходит в соответствии с законами квантовой механики . Идея о том, что макроскопические объекты могут следовать законам квантовой механики, появилась ещё при разработке основ квантовой механики в начале XX века . В то же время, как продемонстрировал мысленный эксперимент с котом Шрёдингера , при переходе от субатомных систем к макроскопическим квантовая механика отличается неполнотой. Последующие эксперименты показали, что квантовые состояния движения наблюдались только в особых условиях при сверхнизких температурах. Квантовые эффекты в макроскопических объектах могут возникать также в результате быстрой квантовой декогеренции .

Первая реально действующая квантовая машина была создана О’Коннелом в 2009 году, в 2010 году журналом Science она была названа « Прорывом года ».

Первая квантовая машина

Первая квантовая машина была создана 4 августа 2009 года , сотрудником Калифорнийского университета в Санта-Барбаре , в рамках работы над диссертацией. О’Коннелл и его коллеги соединили механический резонатор с кубитом — устройством, которое может находиться в суперпозиции двух квантовых состояний. Они смогли заставить резонатор вибрировать с малой и большой частотой одновременно — эффект, невозможный в классической физике . Механический резонатор был достаточно велик, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом — примерно в толщину человеческого волоса . Работа, описывающая полученные результаты, была опубликована в журнале Nature в марте 2010 года . Журнал Science объявил о создании первой квантовой машины как « Прорыве года » в 2010 году .

Охлаждение до состояния с нулевой энергией

Чтобы продемонстрировать квантовые эффекты в действии устройства, необходимо было сначала охладить механический резонатор до тех пор, пока он не достигнет своего (состояния с нулевой энергией ). В частности, для этого требовалась температура ${\displaystyle T\ll hf/k}$ , где h — постоянная Планка , f — частота резонатора, k — постоянная Больцмана . Предыдущие команды исследователей пытались достичь этого состояния, при этом, например, резонатор с частотой 1 МГц необходимо было охладить до чрезвычайно низкой температуры в 50 милликельвин . Команда О’Коннелла построила другой тип резонатора — (TFBAR) с гораздо более высокой резонансной частотой (6 ГГц), который достиг состояния с нулевой энергией при относительно высокой температуре (~ 0,1 К); Эту температуру можно было легко достичь с помощью рефрижератора растворения . В ходе эксперимента резонатор охлаждался до 25 милликельвин .

Управление квантовым состоянием

Использовавшийся командой О’Коннелла TFBAR был изготовлен из пьезоэлектрического материала , поэтому при колебаниях он испускал переменный электрический сигнал, и, наоборот, электрический сигнал мог влиять на его колебания. Это позволило связать резонатор со сверхпроводящим — устройством, используемым в квантовых вычислениях , квантовое состояние которого можно точно контролировать.

Колебания квантовомеханических систем описываются с помощью элементарных квазичастиц — фононов . Охлаждение резонатора до состояния с нулевой энергией можно рассматривать как эквивалент удаления всех фононов. После достижения этого состояния команда О’Коннелла начала перемещать отдельные фононы из кубита на механический резонатор, и при этом также смогла передать на резонатор кубит, находившийся в суперпозиции двух состояний . По оценке Американской ассоциации содействия развитию науки , это позволило достичь состояния, при котором резонатор «вибрировал мало и много в одно и то же время» . Вибрации длились всего несколько наносекунд, после чего были разрушены внешними воздействиями . В статье О’Коннелла в журнале « Nature », посвящённой прошедшему эксперименту, отмечалось: «Эта демонстрация даёт убедительное доказательство, что квантовая механика применяется к механическому объекту, достаточно большому, чтобы его видели невооруженным глазом» .

Примечания

Литература

• Cho, Adrian. (англ.) // Science : journal. — 2010. — 17 December ( vol. 330 , no. 6011 ). — P. 1604 . — doi : . — Bibcode : . — .
• Brumfiel, Geoff. (англ.) // Nature. — 2010. — 17 March. — doi : .
• Aaron D. O’Connell, December 2010, от 25 июля 2011 на Wayback Machine (Ph.D. thesis)