Квантовая информатика

О чем именно идет речь и почему это важно для квантовых вычислений. На последних классах школы и особенно на физических и технических специальностях в институтах/университетах проходят простейший колебательный электрический контур: картинка вверху слева. Он состоит из конденсатора и катушки индуктивности. На двух полюсах конденсатора скапливается заряд, на одном полюсе положительный, на другом - отрицательный. Не могучи преодолеть слой диэлектрика, заряды идут друг к другу в обратном направлении по проводу, но катушка на их пути за счёт электромагнитной индукции создает ток в противоположном направлении, которое обратно скапливает заряды на конденсаторе. Возникают колебания, переменный ток. В обычной схеме он постепенно затухает из-за сопротивления проводника (провода). Однако сверхпроводник не имеет сопротивления и поэтому колебания могут продолжаться до бесконечности.

А эта картинка отсюда: https://arxiv.org/abs/1904.06560

Сегодняшние лауреаты сделали дальнейшее открытие: продемонстрировали, что макроскопический сверхпроводящий электрический контур (100 микрон, или 0,1 мм, т.е. всего в 10 раз меньше миллиметра), включающий джозефсоновский контакт (тот самый тонкий слой диэлектрика толщиной порядка нанометра или десятков нанометров) ведёт себя как одна большая квантовая частица с дискретным энергетическим спектром. Т.е. энергия тока в этом контуре может принимать не любые значения, а только значения из определенного (дискретного) набора.

На фото - регулируемый (tunabe) так называемый трансмонный кубит (разновидность сверхпроводящего кубита), отсюда:
https://arxiv.org/abs/2106.11352

Ещё в 1961 году 22-летний аспирант Кембриджского университета Брайан Джозефсон (B. D. Josephson) предсказал такой эффект в сверхпроводниках: туннелирование в сверхпроводнике множества так называемых куперовских пар (пар электронов, но не по отдельности, а именно всем коллективом, "когерентный" эффект) через слой диэлектрика. В 1963 году эффект был экспериментально подтверждён Филиппом Андерсоном (P. W. Anderson) и Джоном Роуэллом (J.M. Rowell) из Bell Labs.

Картинка отсюда: https://arxiv.org/abs/2103.01225

Во-первых, что за туннельный эффект. Представьте себе шарик, катящийся по плоской поверхности, которому нужно преодолеть кочку, но у него не хватает для этого энергии. За кочкой дорога снова продолжается на том же по высоте уровне, что и прежде, но вот именно въехать в кочку, чтобы потом снова спуститься, шарик не может. Он вкатывается в кочку на какую-то высоту, а затем скатывается назад и дальше катится уже обратно. А квантовая частица - может. С некоторой вероятностью она как будто "проходит под" кочкой (раз "взобраться на" не хватает энергии) и продолжает своё движение вперёд.

Этот эффект для квантовых частиц давно известен, им, в частности, объясняется радиоактивный распад, применяется он и в электронике. Но важный вопрос - а могут ли проявлять эти квантовые эффекты не отдельные квантовые частицы, как, например, электроны, а макроскопические объекты - большие совокупности частиц.

Сегодня объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за этот год. В год 100-летия квантовой механики премия присуждена тоже за открытия в квантовой физике - а именно, за макроскопический туннельный эффект.

Подробно об этом открытии расскажут научно-популярные сайты и каналы, ну а мы давайте рассмотрим его через призму квантовых вычислений. В некотором смысле это премия за сверхпроводящий кубит, хотя, конечно, само открытие гораздо более широкое, интересное именно как физическое явление безотносительно возможных технологических приложений. Но один из лауреатов - Джон Мартинис - возглавлял группу в Гугле по сверхпроводящим квантовым компьютерам.

Ну и заодно другие могилы городского кладбища Гёттингена, которые мне понравились. В конце - братская могила (целый ряд плит с именами) советских, польских и других военнопленных и гражданских, угнанных на принудительные работы, погибших в Гёттингене - как от немцев, так и от налётов союзной авиации (хоть это место и было обозначено, что здесь не бомбить, но, видимо, случались ошибки). На последней плите написано: "Мы вспоминаем людей всей Европы, которые в 1939-1945 гг. были изгнаны со своих земель и угнаны на принудительные работы. Также и в Гёттингене они стали жертвами национал-социализма. Город Гёттинген".

Паломничество в Гёттингене: здесь не только работали, но и нашли свой покой многие великие. Ещё Калуца и Клейн (математики) здесь, но найти их могилы сложно, т.к. они не обозначены на карте.

На надгробии Планка выбита постоянная Планка.

На надгробьи Гильберта - "Wir müssen wissen, wir werden wissen" - "Мы должны знать, мы будем знать" - знаменитые его слова в его программном выступлении, выражающие оптимизм и волю к познанию!

Манфред Эйген - физикохимик, лауреат Нобелевской премии по химии, известен, в частности, своими моделями конкурирующих химических реакций и добиологической эволюции.

Карл Шварцшильд - астроном, создатель модели чёрных дыр.

На последней фотографии - Карл Гаусс, хотя он похоронен не на главном городском кладбище, а на другом кладбище: из другого века всё-таки:)