Прорыв предлагает новый путь к квантовым компьютерам

В ключевом движении к квантовым компьютерам ученые разработали метод, способный позволить быструю и надежную передачу квантовой информации между вычислительными устройствами.

Открытие, сделанное физиком Джейсоном Петтой из Принстона, может позволить ученым построить квантовые компьютеры, состоящие из миллионов квантовых битов или кубитов. До сих пор ученые умели управлять лишь небольшим количеством кубитов, недостаточным для практической машины.

«В настоящий момент в сфере квантовых компьютеров все сосредоточено вокруг попыток построения большей системы», сказал доцент электротехники Эндрю Хоук.

Чтобы совершить передачу, группа Петты применила поток микроволновых фотонов, чтобы проанализировать пару электронов, пойманных в крошечной клетке под названием квантовая точка. „Состояние спина“ электронов — информация о том, как они вращаются — служит в качестве кубита, базовой единицы информации. Микроволновый поток позволяет ученым читать эту информацию.

„Мы создали резонатор с зеркалами на обоих концах, однако отражают они не видимый свет, а микроволновое излучение“, сказал Петта. „Затем мы отправили микроволны с одного конца и проследили, как кони добрались до другого конца. Микроволны находятся под воздействием спиновых состояний электронов в резонаторе, и мы можем прочитать изменения в них“.

В обычном смысле расстояния, которые прошли микроволны, очень малы: весь прибор величиной не более сантиметра. Однако в субатомном масштабе они действительно обширны. Это похоже на координацию движений вращения на Луне с вращением на Земле.

„И это наиболее удивительно“, признался физик Джек Тейлор из Национального института стандартов и технологий и Объединенного квантового института в университете Мэриленда. „Единственный электрон почти полностью изменяет свойства электрической системы дюймовой длины“.

Долгие годы ученые пытались использовать квантовую механику для построения новой машины, которая изменила бы компьютеры. Цель не в создании более быстрого и мощного компьютера, а в том, чтобы создать компьютер, решающий задачи совершенно иным способом.

Стандартные компьютеры хранят данные в виде классических битов, которые могут быть нулем либо единицей. Эти биты позволяют программистам создавать сложные инструкции, составляющие основу современных компьютеров. С тех пор как Алан Тьюринг предпринял первую попытку по созданию компьютера в 1936 году, разработчики создали значительно более мощные и сложные машины, однако фундаментальная двоичная система осталась неизменной.

Мощность квантового компьютера основана на загадочных правилах квантовой механики, которые описывают вселенную субатомных частиц. Квантовая механика гласит, что электрон может быть не только в состоянии единицы или нуля, но и в так называемой суперпозиции, когда он равен и нулю, и единице одновременно. Если удастся создать компьютер, использующий эту особенность, будут открыты совершенно новые области вычислений.

„Преимущество квантовых компьютеров не в том, что они могут производить вычисления быстрее обычных компьютеров“, сказал Хоук. „Квантовый компьютер позволит другим путем решать прежние задачи, в том числе поможет разобраться с теми, что не получается решить с помощью обычного компьютера“.

Математики все еще работают над возможным использованием квантовой системы, однако компьютеры могли бы позволить им выполнять задачи, такие как факторинг нефакторизируемых в настоящее время чисел, расшифровка кодов или даже предсказание поведения молекул.

Одна из проблем, стоящих перед учеными, в том, что спины электронов или любых других квантовых частиц являются чрезвычайно хрупкими. Любые внешние влияния, будь то пучок магнетизма или блик света, дестабилизируют спины электронов и вызывают ошибки.

За годы ученые разработали методы для наблюдения спиновых состояний без того, чтобы потревожить их. (Нобелевская премия по физике в текущем 2012 году была вручена двум ученым, которые впервые продемонстрировали прямое наблюдение за квантовыми частицами). Однако анализа спинов маленьких частиц недостаточно, ведь для создания настоящего квантового процессора потребуются миллионы таких частиц.

Чтобы приблизиться к проблеме, группа Петты объединила методы двух ветвей науки: из материаловедения взяли структуру под названием квантовая точка, чтобы удерживать и анализировать спины электронов, а из оптики взяли микроволновой канал для перемещения спиновой информации из квантовой точки.

Чтобы сделать квантовые точки, ученые изолировали пару электронов на небольшом отрезке материала под названием „полупроводниковый нанопровод“. Прежде всего, это провод, который достаточно тонок, чтобы удерживать электроны, как соломинка удерживает внутри пузырьки вместе с газировкой. Затем ученые создали маленькие клетки вдоль провода. Клетки эти настроены так, чтобы электроны упорядочились в специфическую клетку в зависимости от их уровня энергии.

Вот как ученые считывают спиновое состояние: электроны с подобными спинами отражаются, в то время как частицы с разными спинами притягиваются. Так ученые манипулируют электронами до определенного уровня энергии, а затем считывают их положение. Если они расположены в одной клетке, то вращаются иначе, а если в разных — одинаково.

Второй шаг — поместить квантовую точку в микроволновой канал. Это позволяет ученым передавать информацию о состоянии спина пары — то есть кубит.

Петта поведал, что следующий шаг — увеличение надежности настройки единичной электронной пары. После этого ученые планируют добавить больше квантовых точек, чтобы создать больше кубитов. Оптимизм ученых весьма осторожен: проблем пока, кажется, нет, но в любой системе увеличение сложности может привести к непредвиденным трудностям.

„Используемые нами методы масштабируемы, и мы хотели бы использовать их в большей системе“, сказал Петта. „Однако для масштабирования все должно работать немного лучше. Первым шагом на пути к этому будет изготовление лучших зеркал для микроволнового резонатора“.

22.10.2012