Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI выдвинули подробный план того, как можно создать более быстрые и более определенные квантовые биты - кубиты. Центральными элементами являются магнитные атомы из класса так называемых редкоземельных металлов, которые будут избирательно имплантированы в кристаллическую решетку материала. Каждый из этих атомов представляет один кубит. Исследователи продемонстрировали, как эти кубиты можно активировать, запутывать, использовать в качестве битов памяти и считывать. Теперь они опубликовали свою концепцию дизайна и вспомогательные расчеты в журнале PRX Quantum.
На пути к квантовым компьютерам первоначальным требованием является создание так называемых квантовых битов или «кубитов»: битов памяти, которые могут, в отличие от классических битов, принимать не только двоичные значения нуля и единицы, но и также любая произвольная комбинация этих состояний. «Благодаря этому становится возможным совершенно новый вид вычислений и обработки данных, что для конкретных приложений означает огромное ускорение вычислительной мощности», - объясняет исследователь PSI Мануэль Гримм, первый автор новой статьи на тему кубитов.
Авторы описывают, как логические биты и основные компьютерные операции с ними могут быть реализованы в магнитном твердом теле: кубиты будут размещаться на отдельных атомах из класса редкоземельных элементов, встроенных в кристаллическую решетку основного материала. На основе квантовой физики авторы рассчитывают, что ядерный спин редкоземельных атомов пригоден для использования в качестве носителя информации, то есть кубита. Они также предполагают, что направленные лазерные импульсы могут мгновенно передавать информацию электронам атома и, таким образом, активировать кубиты, благодаря чему их информация становится видимой для окружающих атомов. Два таких активированных кубита взаимодействуют друг с другом и, таким образом, могут быть «запутаны». Запутанность - особое свойство квантовых систем, состоящих из множества частиц или кубитов, важное для квантовых компьютеров: результат измерения одного кубита напрямую зависит от результатов измерения других кубитов, и наоборот.
Быстрее - меньше ошибок
Исследователи демонстрируют, как эти кубиты можно использовать для создания логических вентилей, в первую очередь «управляемых вентилей НЕ» (вентилей CNOT). Логические элементы являются основными строительными блоками, которые классические компьютеры также используют для выполнения вычислений. Если объединить достаточно много таких вентилей CNOT, а также вентилей с одним кубитом, становится возможной любая мыслимая вычислительная операция. Таким образом, они составляют основу квантовых компьютеров.
Эта статья не первая, в которой предлагаются квантовые логические вентили. «Однако наш метод активации и запутывания кубитов имеет решающее преимущество по сравнению с предыдущими сопоставимыми предложениями: он как минимум в десять раз быстрее», - говорит Гримм. Преимущество, однако, заключается не только в скорости вычислений квантового компьютера, основанного на этой концепции; прежде всего, это касается восприимчивости системы к ошибкам. «Кубиты не очень стабильны. Если процессы запутывания слишком медленные, существует большая вероятность того, что некоторые из кубитов тем временем потеряют свою информацию», - объясняет Гримм. В конечном счете, исследователи из PSI обнаружили способ сделать квантовый компьютер такого типа не только по крайней мере в десять раз более быстрым, чем сопоставимые системы, но и менее подверженным ошибкам по той же причине.