1 week ago
12
Ученые синтезировали серию координационных соединений, которые могут лечь в основу процессоров квантовых компьютеров. В полученных молекулярных комплексах магнитные моменты атомов (спины), которые можно сравнить с мельчайшими стрелками компасов, способны ориентироваться одновременно в нескольких направлениях — условно показывать и на север, и на юг. При этом разные атомы «чувствуют» друг друга: их состояния оказываются взаимно зависимы. Такая согласованная неопределенность сохраняется достаточно долго для того, чтобы использовать ее для передачи информации в устройствах, работающих на квантовых принципах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Современные компьютеры, обрабатывающие информацию с помощью электрических сигналов, практически достигли предела производительности и миниатюризации. Все чаще их мощностей оказывается недостаточно для обработки огромных массивов данных и сложных математических вычислений. Поэтому ученые разрабатывают устройства, которые используют альтернативные принципы вычислений, например, квантовые процессы.
В этом случае передача и обработка информации осуществляется за счет способности определенных материалов находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет решать задачи (например, моделировать сложные молекулы для создания лекарств и просчитывать логистические цепочки с множеством переменных) в сотни раз быстрее, чем это делают обычные компьютеры, а также выполнять недоступные традиционным устройствам операции. Однако развитие подобных устройств тормозится из-за того, что соединений, способных длительно удерживать свое «двойственное» состояние, пока очень мало.
Исследователи из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка), Института физики твердого тела РАН (Черноголовка) и Киотского университета (Япония) синтезировали металлорганические комплексы, атомы в которых способны находиться в состоянии неопределенности, называемом квантовой когерентностью.
За основу химики взяли фталоцианины — синтетические органические вещества, которые по структуре напоминают природные пигменты, такие как хлорофилл в растениях и гемоглобин в крови человека. Эти молекулы имеют форму плоского кольца и способны «удерживать» внутри себя атомы металлов, с помощью которых можно тонко «настраивать» электронные и магнитные свойства получаемых комплексов. Фталоцианины широко используются при производстве красителей и в качестве катализаторов, но квантовые свойства комплексов металлов с фталоцианинами оставались не исследованы.
Авторы синтезировали три комплекса металлов — ванадия, меди и олова — с фталоцианином. Эти металлы сильно отличаются друг от друга по электронной структуре, поэтому их сравнение позволило исследователям лучше понять, как настроить свойства комплексов, чтобы использовать их как основу квантовой памяти.
Комплекс с оловом авторы использовали в качестве эталона, поскольку он представляет собой диамагнетик: у олова нет неспаренного электрона, а потому этот атом изначально не создает магнитного поля. У ванадия и меди, напротив, есть по одному неспаренному электрону, спин которого служит той самой «стрелкой компаса», используемой как носитель информации.
Оказалось, что в комплексах с ванадием и медью эти «стрелки компаса» ведут себя как квантовые объекты: они способны одновременно находится в нескольких состояниях — то есть демонстрируют эффект квантовой когерентности.
Оба материала поддерживали эту «неопределенность» до 4 микросекунд — в сотни раз дольше времени, которое занимал стандартный управляющий импульс, использованный авторами в эксперименте для возбуждения комплексов. Именно это соотношение — значительно большая длительность — и позволяет считать новые соединения перспективными кандидатами для создания кубитов — базовых элементов квантовых процессоров.
