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".
