Квантовая революция складывается, как пазл

Атомы гольмия (слева) и железа, меняющего направление спина, на подложке MgO, положенной на поверхность серебра. Сверху – конец иглы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Иллюстрация Physorg

Эксперты считают, что помимо количественных ограничений и явно иного уровня программирования выходу квантового компьютера из лабораторий в коммерческую жизнь препятствует отсутствие достаточно емких носителей памяти. Сегодня, по оценкам журнала Nature, за одну микросекунду (мкс) с жесткого диска считывается 3–5 Кбит, с флешки – всего 100 при сохранности в обоих случаях более 10 лет. Энергии при этом потребляется около 0,04 Вт/Гбайт.

Информация в ДНК сохранна как минимум полмиллиона лет, и сегодня с молекулярного носителя считывается менее 100 бит/мкс, а энергии тратится менее 10–10 Вт. Считается, что все информационное богатство планеты уместится в килограмме ДНК. Но до подобного рода информационных банков еще далековато. Поэтому делаются попытки создать одноатомную магнитную память, о чем сообщил Технологический институт в Лозанне, сотрудникам которого помогали исследователи Геттингена и Сеула, а также лаборатории IBM в калифорнийском Сан-Хосе.

Белковый фотосенсор, транслирующий энергию возбуждения к ферменту-эффектору (справа).

Исследователи расположили на двуслойной подложке MgO (оксида магния) два атома – гольмия (Но) и железа (Fe). Посредством иглы сканирующего туннельного микроскопа на атом гольмия подавали напряжение. В результате направление атомного спина железа менялось на прямо противоположное, сохраняя тем самым бит информации. Авторы обращают внимание на то, что сегодня хранение 1 бита требует задействования не менее 1000 атомов. 

В далеком уже 1962 году Дэвид Джозефсон воплотил «в железе» принцип туннелирования, или прохождения под энергетическим барьером. (Предложен для объяснения альфа-распада Георгием Гамовым, который обосновал, что именно так альфа-частицы вырываются из атомных ядер.) Он соединил два сверхпроводника, оставив между ними зазор в виде изолятора менее 1 нм, под барьером которого наблюдалось протекание тока из спаренных куперовских электронов. Через 11 лет Джозефсона за это достижение наградили Нобелевской премией в 33-летнем возрасте!

Устройство, которое предложил Джозефсон, получило название «джозефсеновский контакт». Его-то и использовали недавно для генерации микроволнового излучения в техническом университете голландского города Дельфт. Излучение при этом получается когерентным. В Дельфте создали принципиально новый сверхминиатюрный лазер, потребляющий мало энергии и не выделяющий тепла, для контроля состояния памяти квантового компьютера. 

Еще одно решение светового воздействия предложили в Техническом и Медицинском университетах австрийского Граца. Тамошним биоинженерам удалось кристаллизовать фитохром – цветной светоулавливающий протеин – в комплексе с ферментом. Подача света на этот комплекс приводит к возбуждению фотосенсора. Это возбуждение передается по белковому проводнику на фермент, стимулируя тем самым его функцию.

В природных условиях фитохромы определяют, например, стремление амфибий и рептилий выползти на солнце, чтобы поднять уровень своего обмена. Вполне возможно, что выявляемые таким образом квантовые эффекты живых систем со временем найдут применение в самых разных устройствах наступающей квантово-компьютерной эры.