В первых демонстрациях базовых принципов квантовых вычислений в конце 1990-х ученые использовали большое количество молекул в растворе внутри аппаратов МРТ, сообщает Nature. С тех пор были разработаны различные квантовые платформы, в том числе, сверхпроводящие схемы и отдельные ионы в вакууме, которые выступают физическими носителями кубитов, единиц квантовой информации.

В последние годы появился новый подход, в котором носителями кубитов становятся нейтральные атомы, пойманные сфокусированными лазерными лучами-пинцетами. Две независимых команды физиков сообщили о прогрессе в использовании вместо атомов молекул: одна представляла Принстонский университет (США), вторая Гарвардский университет и MIT (США).

В обоих исследованиях использовались массивы оптических пинцетов, в каждом из которых ловилась одна молекула монофторида кальция. С помощью лазерных методов они охладили молекулы до температуры в десятки микрокельвинов, что всего на миллионные доли градуса выше абсолютного нуля. В этом состоянии молекулы были близки к полной неподвижности. Их вращение можно остановить или заставить вращаться всего лишь с одним квантом углового момента — наименьшей частотой вращения, которую они могут иметь. Обе команды использовали невращающиеся молекулы для обозначения состояния «0» своих кубитов, а вращающиеся — для обозначения состояния «1».

Монофторид кальция очень полярен: отрицательные электрические заряды, переносимые его электронами, группируются по направлению к атому фтора, оставляя на кальциевом конце молекулы чистый положительный заряд. Исследователи смогли заставить две молекулы монофторида кальция взаимодействовать, «чувствуя» положительные и отрицательные полюса друг друга. «Диполярное взаимодействие молекул дает нам дополнительную ручку настройки», — объясняет Джон Дойл, физик из Гарвардского университета, один из соавторов исследования. В результате физики получили возможность использовать не 2, как у обычных кубитов, а 3 состояния молекул монофторида кальция.

«Молекулы более сложные, они могут больше предложить и в плане кодирования квантовой информации, и в способах взаимодействия, — сказал Лоуренс Чеук из Принстонского университета (США). — Это открывает беспрецедентные возможности обработки квантовой информации».

Для запутывания этих молекул ученые обработали их сериями микроволновых импульсов.

По словам исследователей, для большинства приложений молекулярные квантовые компьютеры будут медленнее, чем те, которые используют другие типы кубитов. Но молекулы могут стать естественной средой для манипулирования квантовой информацией с помощью так называемых кутритов, которые имеют три возможных состояния: −1, 0 и +1. Что, в свою очередь, откроет путь к сверхсложным вычислениям — моделированию комплексных материалов и фундаментальных сил природы.

Нестабильность критически важных квантовых процессов препятствует развитию квантовых вычислительных машин на сверхпроводящих кубитах. Ученые из США сделали важный шаг вперед, получив сверхпроводящие кубиты, сохраняющие информацию на протяжении 1,43 миллисекунды, на порядок улучшив предыдущий рекорд.