Квантовые технологии — это, пожалуй, самое загадочное и многообещающее направление современной науки. В центре любого квантового устройства находится кубит — нежная и капризная «вычислительная единица». Именно он отвечает за хранение и обработку информации. Ученые верят, что в ближайшие десятилетия такие технологии подарят нам невероятно мощные компьютеры и сенсоры, способные улавливать сигналы размером с атом. Это перевернет медицину, навигацию и еще десятки сфер. Но есть одна проблема: кубиты должны жить долго и работать без сбоев.

Недавно группа исследователей сделала важный шаг к тому, чтобы научиться проектировать такие кубиты с точностью инженера-часовщика. Они не просто наблюдали за природой — они создали метод, который позволяет заранее рассчитать свойства молекулярного кубита и «настроить» его под нужные задачи.

Мне кажется, эта работа откроет новую эру в моделировании молекулярных кубитов с чистого листа. Это отправная точка для множества будущих экспериментов, особенно когда речь зайдет о сборке таких систем, — говорит Джулия Галли, профессор Чикагского университета и старший научный сотрудник Аргоннской лаборатории.

В фокусе их внимания оказались кубиты на основе хрома. Раньше разработка таких материалов напоминала метод проб и ошибок: ученые создавали образец, тестировали, смотрели, что получилось, и начинали заново. Это работает, но медленно и затратно. Галли и ее команда предложили другой путь — компьютерное моделирование, которое предсказывает результат еще до начала эксперимента.

Подробности опубликованы в издании Journal of the American Chemical Society.

Спин и расщепление

Сердце молекулярного кубита — это спин. У каждого атома есть эта внутренняя характеристика, которую можно представить как крошечную стрелку компаса. В квантовых устройствах спин работает как азбука Морзе: разные его положения кодируют нолики и единички информации.

В хромовых кубитах спин способен расщепляться на три магнитных подуровня. Ученые называют это явление «расщеплением в нулевом поле». Звучит сложно, но суть проста: даже если убрать все внешние магниты, спин атома все равно „чувствует“ свое окружение — кристаллическую решетку, в которую он встроен. И в зависимости от того, как атом расположен внутри кристалла, энергия этих подуровней меняется.

Представьте радиоприемник. Чтобы поймать волну, нужно точно знать частоту станции. Если частоты неизвестны, вы будете бесконечно крутить ручку наугад. В квантовом мире частота кубита — это и есть его расщепление. Без точного значения управлять кубитом невозможно.

Умение контролировать этот параметр решает сразу две задачи. Во-первых, в большом ансамбле из тысяч кубитов они не должны мешать друг другу. Каждому нужна своя четкая частота. Во-вторых, правильная настройка расщепления продлевает время жизни кубита — так называемое время когерентности. Чем дольше кубит не разрушается, тем больше вычислений он успевает сделать.

Мы научились предсказывать время жизни кубита, просто посмотрев на его расщепление. Это как разработать лучшую броню для хрупкого механизма, — объясняет Майкл Торияма, постдок Аргоннской лаборатории.

Кубит как конструктор

В чем главное преимущество молекулярных кубитов перед, скажем, алмазными? Алмаз — это жесткая структура. Вы почти не можете в ней ничего поменять. Молекулы же — это настоящий конструктор «Лего». Вы берете разные детали и собираете то, что нужно именно вам.

Команда Галли выяснила, какие именно ручки нужно крутить, чтобы настроить расщепление. Оказалось, ключевую роль играют два фактора: геометрия кристалла вокруг атома хрома и электрические поля, которые возникают из-за химического состава этого кристалла. Это открытие стало первым в своем роде. Раньше никто не доказывал, что «включить» нужный режим работы спина можно, просто изменив окружение кубита.

Мы даем новые правила игры. Теперь мы знаем, как менять окружение, чтобы активно управлять спиновыми структурами. И мы можем точно это предсказать, — говорит Лоренцо Балдинелли, аспирант из Университета Перуджи и первый автор статьи.

Это была чертовски сложная задача. Рассчитать такие свойства с нуля, опираясь только на законы физики и химии, — все равно что предсказать поведение океанской волны, зная траекторию каждого атома воды. Но в группе Галли собрались химики, физики и материаловеды. Именно сплав разных дисциплин позволил распутать сложный клубок.

Диего Сорбелли, сейчас уже профессор в Италии, вспоминает:

Меня это долго мучило. Как вообще предсказать расщепление? Какие данные нам нужны? Реально ли это? Я уперся рогом. А потом пришел Лоренцо, мы объединились и позвали Майкла. Дальше было круто — сложно, но очень гладко.

Не так много групп в мире умеют рассчитывать когерентность кубитов. Мы смогли это сделать, потому что годами оттачивали свои инструменты. Эта работа — настоящий памятник тому, как работают успешные коллаборации, — добавил Торияма.

Если смотреть на это исследование не как на абстрактную статью, а как на практический инструмент, его ценность колоссальна.

Мы переходим от описательной науки к инженерной. Метод Галли — это переход от квантовой химии к материаловедению. Теперь у нас есть протокол, который позволяет проверять гипотезы за часы, а не за годы синтеза. Это катализатор. Открытия, на которые раньше ушла бы карьера одного ученого, теперь можно сделать за пару лет.

Для реальной жизни польза лежит в трех плоскостях:

1. Молекулярные кубиты дешевы в производстве по сравнению с ловушками ионов или сверхпроводниками. Если мы научимся штамповать их с заданными параметрами, на рынке появятся портативные квантовые магнитометры. Врач сможет надеть на руку пациента браслет и увидеть магнитное поле отдельного нейрона. Это диагностика рака на самой ранней стадии или мониторинг работы мозга без томографа размером с комнату.
2. Представьте катализатор, который не просто ускоряет реакцию, а использует квантовое состояние для проведения невозможных сегодня превращений. Мы сможем синтезировать удобрения без колоссальных затрат энергии или ловить углекислый газ прямо из воздуха, превращая его в топливо.
3. Компьютеры будущего на таких кубитах будут потреблять микроватты, а не мегаватты. Но главное — само исследование спинов и их окружения — это прямой путь к пониманию высокотемпературной сверхпроводимости. А это уже передача энергии без потерь на любые расстояния.

Работа, безусловно, интересна, но не будем спешить с авансами.

• Во-первых, валидация модели проведена на крайне ограниченном наборе данных. Авторы сравнили свои расчеты с экспериментами для нескольких конкретных соединений хрома. Это блестяще сработало здесь, но мы не знаем, как поведет себя метод при переходе к другим металлам — например, к марганцу или железу. Химия переходных металлов коварна, и корреляции, найденные для хрома, могут оказаться частным случаем, а не универсальным законом.
• Во-вторых, понятие «окружение» в их модели все еще слишком идеализировано. Реальный кристалл — это не идеальная решетка. Это дефекты, примеси, колебания решетки при комнатной температуре. Авторы блестяще описали статику, но динамика среды — влияние фононов на расщепление в нулевом поле — проработана слабо. А именно тепловые колебания „убивают“ кубиты в реальных устройствах.
• И в-третьих, есть риск информационной перегрузки. Метод требует огромной вычислительной мощности. Если каждую молекулу нужно обсчитывать сутками на суперкомпьютере, о массовом дизайне материалов речь не идет. Пока это ювелирная работа, а не конвейер.

Ранее российские ученые открыли новый способ передачи данных в квантовых компьютерах.