125 атомов могут стать основой квантового компьютера

Эра, когда квантовые компьютеры войдут в нашу жизнь, стала еще на один шаг ближе, благодаря работе исследователей из Пенсильванского университета (Penn State University). Группа, возглавляемая профессором физики Дэвидом С. Вайсом (David S. Weiss), разработала и продемонстрировала работоспособность нового способа «упаковки» достаточно больших квантовых вычислительных мощностей в маленьком пространстве, сохранив, при этом, высокий уровень контроля над состоянием квантовых битов, кубитов.Эти кубиты расположены в виде трехмерной матрицы, а удержание их в строгом порядке, переключение и считывание квантового состояния каждого отдельного кубита, не затрагивая квантовые состояния остальных кубитов, осуществляется при помощи лазерного света и лучей микроволнового излучения. Данная технология демонстрирует возможность использования отдельных атомов в качестве «стандартных блоков» схем будущих квантовых компьютеров общего назначения.

Следует отметить, что множество исследователей 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, при помощи 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 планируют немного 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 ближайшем времени мы планируем 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».