Создан «мост», способный объединить несколько квантовых компьютеров

Самые мощные современные компьютеры, суперкомпьютеры, представляют собой множество вычислительных узлов, связанных между собой специальными мостами и высокоскоростными шинами данных, так называемыми интерконнектами. Точно так же будет обстоять дело и с будущими квантовыми компьютерами, которые должны представлять собой законченную с функциональной точки зрения систему, интегрированную с множеством дополнительных устройств. Исследователи из Гарвардского университета и лаборатории Ion Beam Laboratory, являющейся частью Национальной лаборатории Sandia, сделали большой шаг к осуществлению интеграции квантовых вычислительных систем. Они создали первый в своем роде квантовый «мост», способный эффективно объединить множество квантовых компьютеров в единую сетевую вычислительную систему.

В настоящее время на свете существуют лишь простейшие квантовые вычислительные системы, к примеру, IBM Quantum Experience, которые способны выполнять лишь несложные алгоритмы. Некоторое время учеными предпринимаются попытки создания систем, состоящих из нескольких простых квантовых компьютеров, которые общими усилиями смогут решать и более сложные задачи. Но, к сожалению, несмотря на все эти усилия, попытки создания полностью функционирующих «многопроцессорных» квантовых систем еще не увенчались успехом.

«Люди уже достаточно давно создали простейшие квантовые компьютеры» — рассказывает Райан Камачо (Ryan Camacho), исследователь из лаборатории Sandia, — «И, вполне вероятно, что следующим этапом будет не создание одного большого и мощного квантового компьютера, а целой системы, состоящей из связанных друг с другом простых квантовых компьютеров».

Для того, чтобы связать квантовые компьютеры в единое целое требуется мост, способный разделить квантовую информацию между несколькими устройствами. Другими словами, этот мост должен сделать так, чтобы все атомы (квантовые биты, кубиты), содержащиеся в системе, вели себя так, словно они являются одним единственным атомом.

При помощи установки ионной имплантации фокусированным лучом, находящейся в лаборатории Sandia, ученые заменили один атом углерода в кристаллической решетке алмазного основания большим по размеру атомом кремния. Как только это удалось сделать, атом кремния «потеснил» соседние атомы углерода, создав вокруг себя подобие буферной зоны.

Промежуток этой буферной зоны действует как изолятор от электрического тока, которым оказывается воздействие на кристалл алмаза. И, во-вторых, атом кремния, находящийся в центре буферной зоны, ведет себя так, словно он находится в вакууме, а не заключен внутри твердого кристалла. Это позволяет получить необходимую «реакцию электронов атома на квантовые явления, которая не затрагивается нежелательным взаимодействием с другими частицами материи».

При накачке фотонами лазерного света все атомы кремния переходят в возбужденное энергетическое состояние, их электроны перескакивают на более высокие энергетические орбиты. Но, когда эти электроны возвращаются в свое исходное состояние, они испускают «пачки» фотонов света, квантовые параметры которых со 100-процентной вероятностью соответствуют текущему квантовому состоянию атома кремния.

«Первое, что нам удалось сделать, это поместить атомы кремния в строго заданные места кристаллической решетки, расположенные гораздо ниже уровня поверхности. Теперь мы уже имеем возможность создать тысячи таких «кремниевых дефектов», которые будут расположены в строгом порядке» — рассказывает Райан Камачо, — «Если раньше мы должны были суметь выделить фотоны от одного из тысячи беспорядочно разбросанных источников света, то сейчас мы можем точно сказать каким атомом кремния был излучен любой из фотонов».

При условии разработки и реализации некоторых дополнительным методов, включая уже созданные «квантовые детекторы», такая упорядоченная матрица «кремниевых дефектов» может стать мостом, который объединит в единое целое практически бесконечное количество квантовых процессоров. И ученые собираются продолжить работать в этом направлении, которое рано или поздно приведет к появлению эффективных и функциональных квантовых вычислительных систем.