São Paulo universiteti Fizika instituti (IFSC-USP) tadqiqotchilari Braziliya hududida birinchi marta faqat elektr maydoni yordamida Paul turi ushlagich orqali sovuq ionlarni ushlab turishga erishdi. Bu yutuq strontium atomlarini elektr zaryadlangan zarralarga aylantirish va ularni juda kichik hududda ushlab turishni oʻz ichiga oladi, bu esa qubitlarni ishlab chiqish va sinovdan oʻtkazish uchun milliy eksperimental platformani yaratadi.
Ishning qisqacha mazmuni
Bu ishni São Paulo shtati Tadqiqotni Qoʻllab-quvvatlash fondi (FAPESP) tomonidan Quantum Technologies Initiative (QuTIa) dasturi ostida qoʻllab-quvvatlanayotgan yosh tadqiqotchi Amilson Rogelso Fritsch olib boradi. Natija loyihaning taxminan oʻn sakkiz oy davomida ishlab chiqilganidan soʻng olingan. Keyingi bosqich zarralarni shunchaki cheklashdan uning kvant holatlarini nazorat qilishga oʻtish boʻladi, bu esa maʼlumotni qayta ishlash operatsiyalarini bajarish uchun muhimdir.
Olhar Digital bilan suhbatda Fritsch mamlakatda ushlab turilgan ionlar asosidagi kvant kompyuterlashga bagʻishlangan hech qanday tajriba yoʻqligini tushuntirdi. U Rio de Janeirodagi professor Claudio Lenz Cesar kabi antimassaga qaratilgan oʻquv yoki loyihalar mavjud boʻlsa-da, Braziliyaning kvantli apparatura uchun mustaqil infratuzilmasiga muhtojligini taʼkidladi. Unga koʻra, hozirgi eng istiqbolli tizimlar ushlab turilgan ionlar va superkonduktorlardir, ular tadqiqotlar va sarmoyalarni jalb qilmoqda, va yaqinda neytral atomlar tizimlari ham diqqatni tortmoqda.
Bu loyihaning muvaffaqiyati yuqori aniqlikdagi metrologiya ilovalari yoʻl ochadi. Fizik kelajakda Braziliyaning imkoniyatlari faqat kvant kompyuterlash bilan cheklanmasligini, balki aniqlik oʻlchovlarini ham oʻz ichiga olishini taʼkidladi, ayniqsa, ushlab turilgan ionlar optik soatlari dunyo miqyosidagi aniqlik va barqarorlik rekordini saqlab qolgani sababli, soniyani aniqlash standartida.
Ionlarni ushlab turish uchun jamoa Paul ushlagichidan foydalanadi, bu texnologiya nemis fizik Wolfgang Paul tomonidan 1950-yillarda ishlab chiqilgan. Ushbu qurilma yuqori chastotada tebranuvchi elektr maydonlari bilan ishlaydi, tajribada taxminan sekundiga 18 million marta oʻzgaradi. Maydonning tez yoʻnalishdagi oʻzgarishi tufayli ionlar uni kuzata olmaydi va qochib ketmaydi, balki oʻrtadagi oʻrtacha kuch bilan ushlab turiladi.
Cheklash ikki alohida oʻlchamdagi joyda sodir boʻladi. Kesishuv yoʻnalishida tebranuvchi elektr maydoni ionlarning markaziy oʻqdan uzoqlashishini oldini oladi. Uzunlik yoʻnalishida esa statik elektr maydoni ularning chetlardan qochib ketmasligini taʼminlaydi. Tadqiqotchi amaliy eng katta qiyinchilik tebranishni hosil qilishda emas, balki atomni ushlagich markaziga aniq joylashtirish va barqarorlashtirishda ekanligini koʻrsatdi. U asosiy qiyinchilik ionni markazga qoʻyishda ekanligini batafsil bayon etdi, chunki agar u chetga choʻkilsa, dinamik maydonni his qiladi va yon tomonga itariladi.
Bu muammoni yumshatish uchun Fritsch jamoasi qoʻllab-quvvatlovchi statik maydonlardan va kun davomida tizim barqarorligini saqlash uchun muntazam sozlamalardan foydalanadi. Bir nechta zarra ushlanganda, ularning musbat zaryoblari oʻzaro itarishga sabab boʻlib, ularni bir necha mikrometrlar bilan ajratilgan kichik zanjir shaklida tashkil qiladi.
Ushlagichga joylashtirilishdan oldin olimlar neytral strontium atomlaridan boshlaydi. Lazer toʻlqinlari har bir atomdan bir elektronni olib tashlaydi, uni musbat ionga aylantiradi. Bu zarralar keyin ultra yuqori vakuum kamerasida cheklanadi, bu qoldiq molekulalar bilan toʻqnashuvlar ionlarni chiqarib yubormasligi yoki kuzatilishi kerak boʻlgan kvant holatlarini buzmasligi uchun muhim muhitdir.
Kamera atrof-muhit haroratida ishlasa-da, ionlar lazerlar yordamida sovutiladi. Maqsad ularning harakatini bir milikelvin dan past darajalarga tushirish, tizimni fundamental kvant holatiga yaqinlashtirishdir. Zarralarning kamroq shovqinlanishi axborotni boshqarish uchun yuqori aniqlikka olib keladi, chunki ortiqcha termik harakatlar kvant holatlaridagi operatsiyalarga aralashishi mumkin.
Yigʻilgan tasvirlar ushlab turilgan ionlarga mos keladigan yorugʻ nuqtalarini namoyish etadi, bunda har bir nuqta alohida zarra hisoblanadi. Ionlar miqdorini nazorat qilish mumkin, bu esa bitta zarra yoki bir nechta zarralardan iborat zanjir bilan ishlashga imkon beradi. Bu qobiliyat muhim, chunki lazerlar aniq ionlarga yoʻnaltirilishi mumkin, bu esa qoʻshniylarga taʼsir qilmasdan ularning holatlarini oʻzgartirish imkonini beradi.
Fritsch yuqori darajadagi izolyatsiya va lazer fokuslashining individual, jarrohlik aniqligidagi boshqaruvga imkon berishini taʼkidladi. U lazerni juda kichik tarzda fokuslash va ushlagichdagi faqat bitta ionni 99,99% dan yuqori fidellik bilan boshqarishni amalga oshira olishini, atrofdagi atomga taʼsir qilmasdan, qoʻshimcha ravishda tizim zarralar zanjirining butunlay bir vaqtda ishlashini ham qoʻllab-quvvatlashini bildirdi.
Kvant kompyuterlash bilan bevosita bogʻliqlik
Bu yerda tajriba toʻgʻridan-toʻgʻri kvant kompyuterlash bilan bogʻlanadi. Anʼanaviy kompyuterlarda maʼlumotning eng kichik birligi bit boʻlib, u faqat 0 yoki 1 qiymatlarini qabul qiladi, ushlab turilgan ionlar tizimida esa har bir zarraning ikkita ichki holati shu vazifani bajaradi va qubitni hosil qiladi. Asosiy farq shundaki, kvant mexanikasi qonunlariga koʻra, qubit 0 va 1 holatlarining superpozitsiyasida mavjud boʻlishi mumkin.
Bu farqni tushuntirish uchun oddiy analogiya bitni allaqachon tushgan, orqa yoki old tomoni koʻrinadigan tanga bilan solishtirishdir. Qubit esa tanga aylanaotgan paytga tenglashtirilishi mumkin. Garchi bu taqqoslash cheklovlarga ega boʻlsa-da, u kvant holati ikkala qiymatni birlashtirishi mumkinligini tushunishga yordam beradi. Biroq, oʻlchash paytida natija har doim 0 yoki 1 boʻladi.
Boshqa muhim xususiyat kvant miltilligi boʻlib, u ikkita yoki undan ortiq qubitlar oʻrtasida korrelyatsiyalarni oʻrnatishga imkon beradi, tizimni bir butun sifatida koʻrishga undaydi. Kvant algoritmlari bu korrelyatsiyalardan, shuningdek, superpozitsiya va interferensiyadan foydalanishi mumkin, bu esa maʼlum natijalarning ehtimolini oshiradi. Bu yondashuv anʼanaviy kompyuterlar bilan samarali hal qilinishi qiyin boʻlgan muammolarda foyda keltirishi mumkin.
Bu kvant kompyuterlar barcha vazifalar uchun shunchaki tezroq mashinalar boʻlishi kerak degani emas. Ularning salohiyati muammolarning aniq turlari bilan bogʻliq. Eng koʻp tadqiq etilayotgan misollardan biri molekulalar va atomlarni simulyatsiya qilish boʻlib, bu yangi dorilar va materiallar boʻyicha tadqiqotlarni rivojlantirishi mumkin. Tadqiqotchi kvant arxitekturasi moddaning fundamental tabiatini hal qilish uchun moʻljallanganligini taʼkidladi, kvant texnologiyasidan foydalanish orqali kvant muammolarini hal qilish ancha tez va amalga oshirilishi mumkinligini aytib, shuningdek, firibgarlik va murakkab moliyaviy tranzaksiyalarga qarshi maʼlumotlar xavfsizligiga kelajakdagi taʼsirlarga ham ishora qildi.
Bu darajaga erishish uchun ionlar haqiqatdan ham boshqariladigan qubitlar sifatida ishlayotganligini isbotlash hali ham zarur. Ehtiyotkorlik bilan sozlanadigan chastotalarga ega lazerlar zarralarning ichki holatlarini oʻzgartirishga imkon beradi. Maxsus pulslar superpozitsiyalarni tayyorlash va qubitlar ustida operatsiyalar bajarish mumkin. Koʻp ionli zanjirda keyingi maqsad miltillangan holatlarni yaratish va kvant hisoblashni ifodalaydigan operatsiya ketma-ketliklarini bajarishdir.
Strontium ushbu turdagi tajriba uchun ayniqsa afzal boʻlgan xususiyatlari tufayli tanlandi. Uning baʼzi elektron oʻtishlari ionlarni sovutish va aniqlashni osonlashtiradi. Bundan tashqari, juda tor oʻtish energiyasi axborotni boshqarish uchun yetarli vaqt davomida qoʻzgʻalgan holatni saqlab turish imkonini beradi. Bunday xususiyatlar elementni bitta zarra ustidan aniq nazorat talab qiladigan tajribalar uchun mos tanlovga aylantiradi.
Braziliya ilmiy salohiyatining rivojlanishi
Ushlagichni qurish Braziliyaning ilmiy tarbiyasida ham yutuq hisoblanadi. Mamlakat neytral atomlar boʻyicha mustahkam asosga ega boʻlsa-da, ionlar platformasini mustahkamlash yangi avlod mutaxassislar paydo boʻlish yoʻlini ochadi. Fritsch ushbu texnologiyani Universitet ichida ega boʻlish orqali talabalarni tarbiyalash va ushbu tadqiqot guruhini yaratish mumkinligini, joriy tadqiqot va sanoatning markaziy mavzusi boʻlgan kvant kompyuterlash uchun malakali ishchi kuchi taʼminlash mumkinligini taʼkidladi.
IFSC-USP da mavjud infratuzilma bu jarayonga yordam berdi. Professor Vanderlei Bagnato boshchiligidagi Optika va Fotonika Tadqiqot Markazi (CEPOF) optika, lazerlar, vakuum tizimlari va atomlarni sovutish boʻyicha tajriba jamlaydi. Bu bilimlar toʻgʻridan-toʻgʻri yangi tadqiqot yoʻnalishiga qoʻllaniladi. Ushlagich Braziliyada ishlab chiqarilgan va institut laboratoriyasiga oʻrnatilgan.
Loyiha 2024-yil dekabr oyida boshlangan boʻlib, dastlabki oylar jihozlarni sotib olish, tizimni yigʻish va ushlagichni qurishga sarflangan. Birinchi sezilarli natija strontium ionlarini ishlab chiqarish, ushlab turish va kuzatish boʻldi. Tajriba hali dastlabki bosqichda va topilma haqida rasmiy ilmiy nashr yoʻq boʻlsa-da, bu yutuq kelajakdagi sinovlar uchun poydevorni yaratadi.
Bagnato fikricha, bu natija Braziliyani kvant kompyuterlashni rivojlantirishda ijobiy boshlangʻich nuqtaga qoʻyadi. U eʼlonida, ionlarni ushlab turish muvaffaqiyati bilan Braziliya tadqiqotlari xaritaga kirib keldi, bu esa kvant kompyuterlash taraqqiyoti uchun zarur boʻlgan apparatlardan biridir.
Taʼkidlash joizki, Paul ushlagichi hali toʻliq kvant kompyuter hisoblanmaydi; keyingi qadam ushlab turilgan ionlardan qubitlar sifatida foydalanish va birinchi kvant qayta ishlash operatsiyalarini amalga oshirishdir.
