Квантовая машина — это созданное человеком устройство, коллективное движение которого подчиняется законам квантовой механики . Идея о том, что макроскопические объекты могут подчиняться законам квантовой механики, возникла ещё в начале 20-го века. [1] [2] Однако, как показал мысленный эксперимент с котом Шрёдингера , квантовые эффекты нелегко наблюдать в крупномасштабных объектах. [ требуется ссылка ] Следовательно, квантовые состояния движения наблюдались только в особых обстоятельствах при чрезвычайно низких температурах. Хрупкость квантовых эффектов в макроскопических объектах может быть следствием быстрой квантовой декогеренции . [3] Исследователи создали первую квантовую машину в 2009 году, и это достижение было названо «Прорывом года» журналом Science в 2010 году.
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 вместе механический резонатор , похожий на крошечный трамплин, и кубит , устройство, которое может находиться в суперпозиции двух квантовых состояний одновременно. Они смогли заставить резонатор вибрировать одновременно в малой и большой степени — эффект, который был бы невозможен в классической физике . Механический резонатор был достаточно большим, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом — примерно такой же длины, как человеческий волос. [4] Эта новаторская 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 квантово-механическое поведение, команде сначала нужно было охладить механический резонатор до тех пор, пока он не перейдет в основное квантовое состояние — состояние с минимально возможной энергией .
Требовалась температура , где — постоянная Планка , — частота резонатора, — постоянная Больцмана . [a]
Предыдущие группы исследователей боролись с этой стадией, так как резонатор на 1 МГц , например, необходимо было бы охладить до чрезвычайно низкой температуры 50 мкК . [7] Группа О'Коннелла сконструировала другой тип резонатора, пленочный объемный акустический резонатор , [5] с гораздо более высокой резонансной частотой (6 ГГц), который, следовательно, достигал своего основного состояния при (относительно) более высокой температуре (~0,1 К); эта температура затем могла быть легко достигнута с помощью холодильника растворения . [5] В эксперименте резонатор был охлажден до 25 мК. [5]
Акустический резонатор из пленки был изготовлен из пьезоэлектрического материала , так что при его колебаниях его изменяющаяся 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 его основного состояния можно рассматривать как эквивалент удаления всех фононов. Затем команда смогла перенести отдельные фононы из кубита в резонатор. Команда также смогла перенести состояние суперпозиции , в котором кубит находился в суперпозиции двух состояний одновременно, на механический резонатор. [8] Это означает, что резонатор «буквально вибрировал немного и много одновременно», согласно Американской ассоциации содействия развитию науки . [9] Вибрации длились всего несколько наносекунд , прежде чем были разрушены разрушительными внешними воздействиями. [10] В статье в Nature команда пришла к выводу: «Эта демонстрация дает убедительные доказательства того, что квантовая механика применима к механическому объекту, достаточно большому, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом». [5]
^ а: Энергия основного состояния осциллятора пропорциональна его частоте: см. квантовый гармонический осциллятор .
