АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»

125 атомов имеют шансы стать основой универсального квантового компьютера


125 атомов имеют шансы стать основой универсального квантового компьютера

Будущее, в котором квантовые компьютеры будут в каждом доме, стало на шаг ближе по причине работы исследователей из Пенсильванского университета (Penn State University). Группа во главе с профессором физики Дэвидом С. Вайсом (David S.Weiss), создала и презентовала работоспособность нового способа "упаковки" достаточно крупных квантовых вычислительных мощностей в небольшом пространстве, сохранив при этом высокий уровень контроля над состоянием квантовых битов - кубитов. Эти кубиты расположены в состоянии трехмерной матрицы, а удержание их в строгом порядке, переключение и считывание квантового состояния каждого отдельного кубита, не затрагивая квантовые состояния остальных кубитов, производится с помощью лазерного света и лучей микроволнового излучения. Эта технология показывает возможность использования отдельных атомов в качестве "стандартных блоков" схем будущих квантовых компьютеров общего назначения.

Важно помнить о том, что множество ученых уже создавали матрицы из атомов или ионов, которые выступали в качестве кубитов и являлись простейшими квантовыми вычислительными устройствами. Но все, что было создано ранее, представляло собой двумерные или даже одномерные структуры. То, что сделали ученые из Пенсильвании, обеспечивает упаковку кубитов в трех измерениях и сохраняет при этом все возможности управления их квантовым состоянием.

Для того, чтобы создать трехмерную матрицу кубитов, ученые создали решетку-ловушку из лучей света, в узлах которой располагались атомы-кубиты. Эта решетка состояла из пяти слоев, подобно бутерброду, сложенному из пяти кусков хлеба. В каждом из слоев располагалось по 25 атомов, которые находились в строго определенном местоположении. В результате этого у ученых получилась кубическая область пространства, в которой равномерно было распределено 125 атомов. В данном случае в качестве кубитов ученые использовали электрически нейтральные атомы цезия, каждый из которых помещался в состояние квантовой суперпозиции.

Кроме основной решетки-ловушки, ученые создали дополнительную решетку из лучей лазерного света с несколько иными параметрами, с помощью которых производилась энергетическая накачка отдельных атомов, что эквивалентно адресации отдельной ячейки в массиве обычной компьютерной памяти. А воздействие узконаправленным лучом микроволнового излучения позволяет изменить квантовое состояние каждого атома в отдельности. Но самым интересным является то, что ученым удалось рассчитать и подобрать такие параметры лазерного света и микроволнового излучения, при которых их частота, интенсивность и т.п. абсолютно не влияют на квантовое состояние кубитов (на него влияет лишь суммарное воздействие всех вышеперечисленных факторов).

Проводя эксперименты с созданной трехмерной матрицей кубитов, ученые изменили состояния атомов отдельных слоев так, что они сформировали символы P, S и U, которые являются первыми буквами названия Пенсильванского университета. "В результате мы получили высокоточную высокочастотную квантовую вычислительную систему", - рассказывает профессор Вайс. - "Сейчас мы способны изменять и считывать квантовое состояние атомов с точностью 99.7 процентов, но в будущем мы постараемся увеличить этот показатель до 99.99 процента".

Помимо увеличения точности исследователи собираются несколько позже произвести запутывание квантовых волновых функций отдельных кубитов. В таком случае изменение состояния одного из квантовых битов будет моментально отражено в изменении состояния остальных запутанных кубитов. "Именно эта "запутанная" связь между кубитами и является критическим компонентом квантовых вычислительных технологий", - рассказывает профессор Вайс. - "В скором будущем мы собираемся реализовать метод, позволяющий запутать или разорвать связь каждого из атомов решетки с любым другим атомом. А это, в свою очередь, означает создание универсального программируемого квантового процессора".

Почтовый адрес
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1
Телефон и факс
Телефон:
+7 495 333-91-44
Факс:
+7 495 333-00-03
Интернет
E-mail:
bereg@niipolyus.ru
Skype:
niipolyus