Согласно предыдущим идеям, основным требованием для реализации универсального квантового компьютера является чрезвычайно хорошая изоляция системы квантовых частиц от окружающей среды. Но теперь квантовые физики перевернули это предположение с ног на голову. Потому что вместо ненарушенных квантовых вычислений они разработали концепцию, согласно которой сбои в работе системы из-за внешней среды являются предпосылкой для эффективных квантовых вычислений. Это все еще доказательство концепции. Однако концепцию, опубликованную сейчас в «Nature Physics», можно проверить экспериментами с атомарными квантовыми газами или ионными ловушками.
Нежелательные помехи - обычно
Типичный «стандартный квантовый компьютер» основан на системе квантовых частиц, используемых для хранения и кодирования информации. При этом используется тот факт, что квантовые биты, в отличие от классических битов, могут находиться не только в состояниях «1» или «0», но и во всех возможных суперпозициях этих состояний. Все изменения в этих состояниях обратимы - на техническом жаргоне: унитарны. Обычные схемы в таких квантовых компьютерах представляют собой квантовые вентили, которые всегда запутывают два кубита.
Проблема возникает, когда система теряет информацию в окружающую среду. Это так называемое «рассеивание» разрушает квантовые эффекты, такие как суперпозиция и запутанность, которые необходимы для хранения, шифрования, обработки и передачи квантовой информации. Поэтому возмущения здесь нежелательны, поэтому квантовая система должна быть максимально изолирована от окружающей среды.
Индивидуальные возмущения делают квантовые вычисления более устойчивыми
В одном теперь профессор Игнасио Чирак, директор Института квантовой оптики Макса Планка, и его бывшие сотрудники Майкл Вольф, ныне ученый из Института Нильса Бора в Копенгагене, и профессор Франк Верстрате, ныне Венский университет, в распространяемой модели решающую роль играет именно диссипация. Это необходимое условие для эффективных «квантовых вычислений» и генерации произвольных квантовых состояний без участия других когерентных динамических процессов. Отправной точкой здесь также является система кубитов, которая теперь теряет информацию через диссипативные процессы из-за взаимодействия с окружающей средой. В результате с течением времени он эволюционирует к фиксированной точке, постоянному устойчивому состоянию. Это можно использовать для квантовых вычислений.
Динамика рассеяния «настраивается» по мере необходимости. Фиксированная точка может представлять базовое состояние системы, это может быть конкретное состояние, которое вы хотите подготовить, или оно может содержать, например, результат вычисления. Основное преимущество этого подхода состоит в том, что в чисто диссипативных процессах конечное состояние достигается независимо от начальных условий и, следовательно, независимо от каких-либо помех на пути к нему. Это делает «диссипативные квантовые вычисления» особенно устойчивыми и придает им невосприимчивость к помехам.
Хотя не требуются ни чистые квантовые состояния, ни унитарные процессы, диссипативные квантовые системы оказываются эквивалентными обычным квантовым схемам с точки зрения достижимой вычислительной мощности. Этот метод даже особенно хорошо подходит для подготовки интересных основных состояний: так называемые «топологические системы», например, образуют класс экзотических состояний, которые играют важную роль в новых квантовых эффектах, таких как дробный квантовый эффект Холла.
ТЭО открывает новые перспективы
Настоящие исследования по-прежнему представляют собой базовое технико-экономическое обоснование, которое показывает, что диссипация предлагает новую возможность для выполнения квантовых вычислений или создания определенных состояний. Идея, стоящая за этим, однако, состоит в том, чтобы применить эту концепцию к системам, в которых атомы или ионы служат кубитами, например атомарные холодные газы в оптических решетках или ионы в электромагнитных ловушках.
«Эта модель «квантовых вычислений» противоречит почти всем требованиям, которые мы ранее считали необходимыми для реализации таких устройств», - подчеркивает Сирак, - они стабильны или особенно просты в реализации. Но самое главное, новая концепция предлагает совершенно новый взгляд на то, как квантовые компьютеры могут работать на практике в будущем.“