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 любую произвольную комбинацию эти государства. «Благодаря этому становится возможен 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 по теме кубитов.
Авторы описывают, как логические биты и основные компьютерные операции над ними могут быть реализованы в магнитном твердом теле: кубиты будут располагаться на отдельных атомах из класса редкоземельных элементов, встроенных в кристаллическую решетку основного материала.
На основе квантовой физики авторы рассчитывают, что ядерный спин редкоземельных атомов будет пригоден для использования в качестве носителя информации, то есть кубита. Они также предполагают, что целевые лазерные импульсы могут мгновенно передавать информацию электронам атома и, таким образом, активировать кубиты, в результате чего их информация становится видимой для окружающих атомов. Два таких активированных кубита взаимодействуют друг с другом и, таким образом, могут быть "запутаны".«Запутанность – это особое свойство квантовых систем из множества частиц или кубитов, которое важно для квантовых компьютеров: результат измерения одного кубита напрямую зависит от результатов измерения других кубитов, и наоборот.
Быстрее – меньше подвержено ошибкам
Исследователи демонстрируют, как эти кубиты могут использоваться для создания логических вентилей, в первую очередь «управляемых вентилей НЕ» (вентилей CNOT).
Логические вентили – это основные строительные блоки, которые также используют классические компьютеры для выполнения вычислений. Если объединить достаточно много таких вентилей CNOT, а также вентилей с одним кубитом, любая мыслимая вычислительная операция становится возможной. Таким образом, они составляют основу квантовых компьютеров.
Эта статья не первая, предлагающая квантовые логические вентили. «Однако наш метод активации и связывания кубитов имеет решающее преимущество по сравнению с предыдущими сопоставимыми предложениями: он как минимум в десять раз быстрее», – говорит Гримм.
Однако преимущество заключается не только в скорости, с которой квантовый компьютер, основанный на этой концепции, мог производить вычисления; прежде всего, это касается восприимчивости системы к ошибкам. «Кубиты не очень стабильны. Если процессы запутывания идут слишком медленно, существует большая вероятность того, что некоторые кубиты тем временем потеряют свою информацию », – объясняет Гримм.
В конечном итоге исследователи PSI обнаружили способ сделать квантовый компьютер этого типа не только в десять раз быстрее, чем сопоставимые системы, но и менее подверженным ошибкам за счет того же фактора.