Квантовая машина — это созданное человеком устройство, коллективное движение которого подчиняется законам квантовой механики . Идея о том, что макроскопические объекты могут подчиняться законам квантовой механики, восходит к появлению квантовой механики в начале 20 века. [1] [2] Однако, как показал мысленный эксперимент с котом Шредингера , квантовые эффекты нелегко наблюдать в крупномасштабных объектах. [ нужна цитация ] Следовательно, квантовые состояния движения наблюдались только в особых обстоятельствах при чрезвычайно низких температурах. Хрупкость квантовых эффектов в макроскопических объектах может возникнуть из-за быстрой квантовой декогеренции . [3] Исследователи создали первую квантовую машину в 2009 году, а в 2010 году это достижение было названо журналом Science «Прорывом года» .
Первая квантовая машина была создана 4 августа 2009 года Аароном Д. О'Коннеллом во время работы над докторской диссертацией. под руководством Эндрю Н. Клеланда и Джона М. Мартиниса в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре . О'Коннелл и его коллеги соединили механический резонатор , похожий на крошечный трамплин, и кубит — устройство, которое может находиться в суперпозиции двух квантовых состояний одновременно. Им удалось заставить резонатор вибрировать одновременно и на небольшую, и на большую величину — эффект, который был бы невозможен в классической физике . Механический резонатор был достаточно большим, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, — примерно шириной с человеческий волос. [4] Инновационная работа была впоследствии опубликована в журнале Nature в марте 2010 года. [5] Журнал Science объявил создание первой квантовой машины «Прорывом года » 2010 года. [6]
Чтобы продемонстрировать квантовомеханическое поведение, команде сначала нужно было охладить механический резонатор до тех пор, пока он не перейдет в основное квантовое состояние (состояние с минимально возможной энергией ). В частности, требовалась температура , где – постоянная Планка , – частота резонатора и – постоянная Больцмана . [a] Предыдущие группы исследователей сталкивались с этой стадией, поскольку, например, резонатор с частотой 1 МГц необходимо было охлаждать до чрезвычайно низкой температуры 50 мкК . [7] Команда О'Коннелла сконструировала резонатор другого типа, пленочный объемный акустический резонатор , [5] с гораздо более высокой резонансной частотой (6 ГГц), который, следовательно, достигнет своего основного состояния при (относительно) более высокой температуре (~ 0,1). К); этой температуры можно было бы легко достичь с помощью холодильника для разбавления . [5] В эксперименте резонатор охлаждался до 25 мК. [5]
Пленочный объемный акустический резонатор был изготовлен из пьезоэлектрического материала , так что при колебаниях его меняющаяся форма создавала изменяющийся электрический сигнал, и, наоборот, электрический сигнал мог влиять на его колебания. Это свойство позволило соединить резонатор со сверхпроводящим фазовым кубитом — устройством, используемым в квантовых вычислениях , квантовое состояние которого можно точно контролировать.
В квантовой механике колебания состоят из элементарных колебаний, называемых фононами . Охлаждение резонатора до основного состояния можно рассматривать как эквивалент удаления всех фононов. Затем команде удалось перенести отдельные фононы из кубита в резонатор. Команда также смогла перенести состояние суперпозиции , когда кубит находился в суперпозиции двух состояний одновременно, на механический резонатор. [8] По данным Американской ассоциации содействия развитию науки, это означает, что резонатор «буквально одновременно немного и сильно вибрировал» . [9] Вибрации длились всего несколько наносекунд , прежде чем были разрушены разрушительными внешними воздействиями. [10] В статье в журнале Nature команда пришла к выводу: «Эта демонстрация представляет собой убедительное доказательство того, что квантовая механика применима к механическому объекту, достаточно большому, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом». [5]
^ a: Энергия основного состояния осциллятора пропорциональна его частоте: см. квантовый гармонический осциллятор .
