Квантовая машина

Фотография квантовой машины О’Коннела. Механический резонатор расположен в левом нижнем углу ёмкостной муфты (белый квадрат). Кубит подключён к верхней правой части ёмкостной муфты.

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^[1]^[2]. 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^[3].

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

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^[4]. Работа, описывающая полученные результаты, была опубликована в журнале Nature в марте 2010 года^[5]. Журнал Science объявил о создании первой квантовой машины как «Прорыве года» в 2010 году^[6]

.

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 базового квантового состояния^[англ.] (состояния с нулевой энергией). В частности, для этого требовалась температура $T\ll hf/k$ , где h —

МГц необходимо было охладить до чрезвычайно низкой температуры в 50 милликельвин^[7]. Команда О’Коннелла построила другой тип резонатора — объёмный акустический резонатор с плёнкой^[англ.] (TFBAR)^[5] 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^[5]. В ходе эксперимента резонатор охлаждался до 25 милликельвин^[5]

.

Управление квантовым состоянием

Использовавшийся командой О’Коннелла TFBAR был изготовлен из

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^[8]. По оценке Американской ассоциации содействия развитию науки, это позволило достичь состояния, при котором резонатор «вибрировал мало и много в одно и то же время»^[9]. Вибрации длились всего несколько наносекунд, после чего были разрушены внешними воздействиями^[10]. 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»^[5].