Ученые-физики из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в ходе проведения своих экспериментов еще раз доказали, что явления, происходящие в квантовом мире, могут при определенных условиях проявляться и на более крупномасштабном уровне, на уровне классической физики, действующей в привычном нам мире. Этим доказательством послужил факт «запутывания» на квантовом уровне с помощью особых электрических сигналов микроскопических физических объектов – крошечных алюминиевых цилиндров, которые могут стать основой квантовых битов квантовых компьютеров, которые смогут в «три счета» решать задачи непосильные даже для самых мощных современных суперкомпьютеров.

Квантовая запутанность является одной из главных особенностей квантового мира, законы которого действуют, по крайней мере так считалось ранее, в масштабах атомов и субатомных частиц.

Но в последние годы ученые все чаще и чаще натыкаются на следы явлений из квантового мира, в частности, квантовой запутанности, проявляющихся на больших уровнях. И это, естественно, вызывает немалый интерес, так как квантовая запутанность уже сейчас используется в практических целях, к примеру, для реализации квантовых вычислений, в работе алгоритмов коррекции ошибок и для телепортации квантовой информации из одного места в другое.

Ученые NIST создали первые микроскопические алюминиевые цилиндры еще в 2011 году. Эти цилиндры, имеющие диаметр 15 микрон и высоту 100 нанометров, изначально были рассчитаны для того, чтобы стать узлами всевозможных микроэлектромеханических систем. Но, работая с такими системами, ученые заметили, что микроцилиндры демонстрируют два вида свойств – механические свойства, которые выражаются в способности совершать колебательные движения, и квантовые свойства, что проявлялось в способности хранения и передачи квантовой информации с помощью этих цилиндров.

Рис. 1.

Проводя эксперименты, ученые NIST сделали микроцилиндры частью электромеханической схемы, которая реализует двухсторонний обмен квантовыми состояниями (информацией) между колеблющимся микроцилиндром и импульсами микроволнового излучения особой формы.

Микроволновый импульс, несущий определенную квантовую информацию, послужил причиной перехода колеблющегося цилиндра в самое низкое энергетическое состояние с точки зрения энергии его колебаний. После этого, с помощью электрического сигнала, пропущенного через электрические цепи схемы, ученым удалось запутать на квантовом уровне колеблющийся цилиндр с другим импульсом микроволнового излучения, введенным в область действия электромеханической схемы.

Колеблющийся цилиндр способен хранить квантовую информацию, представленную в виде энергии его колебаний, в течение 10 микросекунд, чего вполне достаточно для проведения экспериментов и измерений. Используя методы, подобные вышеописанному, методу ученые создавали достаточно сложные квантовые запутанные системы, в которых ключевую роль играл алюминиевый цилиндр, связанный (запутанный) с одним или несколькими импульсами микроволнового излучения. Анализируя полученные в результате 10 тысяч повторений одного и того же эксперимента данные, ученые выяснили, что наблюдаемые эффекты и явления имеют достаточно высокий уровень повторяемости, указывающий на то, что все элементы системы запутаны именно на квантовом уровне, а не обмениваются квантовой или физической информацией каким-нибудь другим путем.

Полученные учеными результаты указывают на то, что

алюминиевые микроцилиндры можно всерьез рассматривать в качестве кандидатов на роль квантовых битов, кубитов, которые являются базовыми ячейками квантовых компьютеров, одновременно хранящими и обрабатывающими информацию. Помимо этого, принадлежность микроцилиндров сразу к квантовому и физическому мирам позволяет использовать их в качестве устройств-посредников, которые выполняют преобразование физических (электрических, световых или механических) сигналов в квантовую информацию и наоборот.