В плену у скирмиона: физики придумали, как удержать квантовую запутанность

Защита квантовой информации от внешних помех остается одной из главных проблем в разработке устойчивых вычислительных систем будущего. Особенно остро этот вопрос встает при работе с квантовой запутанностью – уникальным состоянием частиц, без которого невозможно создать полноценный квантовый компьютер. Физики из Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге нашли решение : предложили использовать особые топологические структуры – скирмионы, способные сохранять информацию даже в самых нестабильных условиях.

И правда, квантовая запутанность – феномен, который одновременно открывает грандиозные возможности и создает серьезные проблемы. Элементарные частицы в запутанном состоянии действуют как единый организм: любое изменение одной мгновенно отражается на остальных, независимо от дистанции между. Это свойство материи настолько противоречило законам классической физики, что Эйнштейн в сво1 время назвал его "жутким дальнодействием". Такая удивительная взаимосвязь позволяет проводить сложнейшие операции, однако даже малейшее вмешательство извне – пролетающий фотон или случайное электромагнитное поле – способно нарушить хрупкое равновесие системы.

Скирмионы – микроскопические магнитные образования, в которых спины атомов выстраиваются в форме вихря с характерным закручиванием. В квантовых и магнитных полях таким образом формируется особый узор, демонстрирующий невероятную стойкость к внешним воздействиям. Спиновой рисунок не меняется даже при сильных возмущениях среды – подобно тому, как мощный водоворот сохраняет целостность в бурном потоке, ведь возникающие искажения не способны преодолеть фундаментальные законы геометрии пространства.

Именно эта особенность и позволяет использовать скирмионы для защиты квантовой информации. Разработанная учеными математическая модель показывает: когда обычные квантовые состояния теряют когерентность под влиянием помех, топологические свойства спинового узора идеально обеспечивают сохранность закодированных данных.

До сих пор борьба с разрушением квантовых состояний шла совершенно иным путем. В прежнем методе, например, специальные компьютерные алгоритмы отслеживали отклонения и применяли корректирующие импульсы, пытаясь вернуть систему в исходное состояние. Такой подход требовал сложной аппаратуры и постоянного контроля, а главное – не позволял восстановить информацию после серьезных сбоев.

Руководитель исследования профессор Эндрю Форбс видит применение технологии в создании сверхточных медицинских томографов нового поколения. Защищенные от помех квантовые датчики позволят получать детальные снимки тканей без увеличения дозы облучения. В перспективе метод может лечь в основу нейроморфных процессоров, объединяющих принципы работы искусственного интеллекта и квантовых вычислений.