Тело кванта отвердело

Вот уже не первое десятилетие ученые бьются над созданием квантового компьютера. Мощное вычислительное устройство пока не существует в реальности, но постоянно будоражит умы ученых и людей, интересующихся наукой. Пока до создания квантового компьютера, увы, далеко, но прогресс не стоит на месте, и ученые периодически радуют человечество, сообщая о новых достижениях в области квантовых вычислений.

На этот раз отличилась группа исследователей во главе с сотрудниками Йельского университета, которая создала первый в мире элементарный твердотельный квантовый процессор. Это устройство (на фото) представляет собой пластину корунда (кристаллический α-оксид алюминия, Al₂O₃), на которую нанесен 150-нанометровый слой ниобия – химического элемента, имеющего свойства сверхпроводника. Работа процессора основана на таких физических явлениях, как ядерный магнитный резонанс, ионная ловушка и процессы в оптических системах.

Данное устройство представляет собой двухкубитовый чип для запуска такого элементарного алгоритма, как простой поиск.

Используя алгоритмы поиска Гровера и Дойча – Джоза (алгоритмы, разработанные для выполнения на квантовом компьютере), ученые впервые в мире с помощью твердотельного устройства произвели квантовую обработку информации. Результаты работы опубликованы в Nature.

В то время как каждый кубит устройства в действительности состоит из миллиардов атомов металла, он действует как один атом, который может принимать два разных энергетических состояния, которые схожи с 1 и 0, или on и off в обычных компьютерах.

Благодаря законам квантовой механики ученые могут эффективно работать с кубитами, помещая их в суперпозицию разных состояний и позволяя работать с большим количеством информации.

«Наш процессор может выполнять только несколько очень простых квантовых задач, которые были продемонстрированы ранее на одиночном ядре, атомах и фотонах, – заявил один из авторов работы Роберт Шелькопф, профессор Йельского университета. – Но впервые это стало возможным сделать на электронном устройстве, которое выглядит и работает как обычный микропроцессор».

В качестве демонстрации основ работы своего процессора ученые приводят довольно наглядный пример. Допустим, что вы имеете четыре телефонных номера и вы знаете, что один из них – номер вашего друга. Чтобы ему позвонить, вы будете набирать разные номера наугад, и, как правило, до друга вы дозвонитесь со второго или третьего раза.

Квантовый процессор на этот процесс потратит только одну свою попытку.

«По сути, за одну свою попытку устройство, использующее эффекты квантовой механики, позвонит по всем четырем номерам и определит среди них нужный», – пояснил Шелькопф.

Конечно, представленные выкладки кажутся очень простыми, но раньше их было невозможно реализовать с помощью твердотельных кубитов, так как ученым не удавалось заставить такие кубиты существовать на протяжении долгого, по их меркам, времени. Около десяти лет назад ученые смогли создать первые кубиты (на основе арсенида галлия), но они существовали лишь около 1 наносекунды. У Шелькопфа и его коллег получилось заставить кубиты держать нужное состояние на протяжении 1 микросекунды, что вполне достаточно для запуска простых алгоритмов. Для совершения операций кубиты взаимодействуют друг с другом с помощью «квантовой шины» – фотонов, которые передают информацию через связи, соединяющие кубиты.

Ключевой момент, который сделал возможным работу двухкубитового процессора, заключается в том, что ученые смогли заставить кубиты быстро менять свое состояние.

В дальнейшем группа будет работать над увеличением количества времени, на протяжении которого кубиты сохраняют свое квантовое состояние, что позволит запустить более сложные алгоритмы. В их планах также работа над тем, чтобы подключить большее числа кубитов к «квантовой шине». Производительность процесса экспоненциально возрастает с подключением каждого кубита, поэтому потенциал использования квантовых эффектов просто неисчерпаем и неизбежно должен привести к созданию мощной вычислительной машины – квантового компьютера.

«Мы еще далеки от создания реального квантового компьютера, но нами сделан существенный шаг вперед», – подвел итоги своей работы Роберт Шелькопф.