Но передача информации и исправление ошибок в квантовой системе остается проблемой для создания эффективных квантовых компьютеров.
В статье в журнале Nature исследователи из Университета Пердью и Рочестерского университета, в том числе Джон Никол, доцент физики, и аспиранты из Рочестера Ядав П. Кандел и Хайфэн Цяо демонстрируют свой метод передачи информации путем передачи состояния электронов. Исследование приближает ученых на один шаг к созданию полнофункциональных квантовых компьютеров и является последним примером инициативы Рочестера по лучшему пониманию квантового поведения и разработке новых квантовых систем.
Университет недавно получил грант в размере 4 миллионов долларов от Министерства энергетики на исследование квантовых материалов.
КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Квантовый компьютер работает на принципах квантовой механики, уникальном наборе правил, которые регулируют чрезвычайно малые масштабы атомов и субатомных частиц. Когда мы имеем дело с частицами на этих масштабах, многие правила классической физики больше не применяются, и возникают квантовые эффекты; квантовый компьютер может выполнять сложные вычисления, множить чрезвычайно большие числа и моделировать поведение атомов и частиц на уровнях, недоступных классическим компьютерам.
Квантовые компьютеры могут помочь лучше понять принципы физики и химии, моделируя поведение вещества в необычных условиях на молекулярном уровне. Эти симуляции могут быть полезны при разработке новых источников энергии и изучении состояния планет и галактик или сравнении соединений, которые могут привести к новым лекарственным препаратам.
"Мы с тобой квантовые системы.
Частицы в нашем теле подчиняются квантовой физике. Но если вы попытаетесь вычислить, что происходит со всеми атомами в нашем теле, вы не сможете сделать это на обычном компьютере », – говорит Никол. "Квантовый компьютер мог бы легко сделать это."
Квантовые компьютеры также могут открыть двери для более быстрого поиска в базах данных и криптографии.
«Оказывается, почти вся современная криптография основана на том, что обычным компьютерам чрезвычайно трудно разложить на множители большие числа», – говорит Никол. «Квантовые компьютеры могут легко разложить на множители большие числа и взламывать схемы шифрования, поэтому вы можете себе представить, почему многие правительства заинтересованы в этом."
БИТЫ ПРОТИВ. КУБИТЫ
Обычный компьютер состоит из миллиардов транзисторов, называемых битами. Квантовые компьютеры, с другой стороны, основаны на квантовых битах, также известных как кубиты, которые могут быть сделаны из одного электрона. В отличие от обычных транзисторов, которые могут быть либо "0", либо "1", кубиты могут быть одновременно "0" и "1". Способность отдельных кубитов занимать эти «суперпозиционные состояния», когда они одновременно находятся в нескольких состояниях, лежит в основе огромного потенциала квантовых компьютеров.
Однако, как и обычные компьютеры, квантовые компьютеры нуждаются в способе передачи информации между кубитами, и это представляет собой серьезную экспериментальную проблему.
«Квантовый компьютер должен иметь много кубитов, а их действительно сложно создать и использовать», – говорит Никол. «Современные специалисты делают что-то всего с несколькими кубитами, поэтому мы все еще далеки от реализации полного потенциала квантовых компьютеров."
Все компьютеры, включая как обычные, так и квантовые компьютеры, а также устройства, такие как смартфоны, также должны выполнять исправление ошибок. Обычный компьютер содержит копии битов, поэтому, если один из битов выходит из строя, «остальные просто наберут большинство голосов» и исправят ошибку.
Однако, по словам Николая, квантовые биты нельзя скопировать, «поэтому вы должны очень хорошо разбираться в том, как исправлять ошибки. То, что мы делаем здесь, – это один шаг в этом направлении."
МАНИПУЛЯЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ
Квантовая коррекция ошибок требует, чтобы отдельные кубиты взаимодействовали со многими другими кубитами.
Это может быть сложно, потому что отдельный электрон похож на стержневой магнит с северным и южным полюсами, которые могут указывать вверх или вниз. Направление полюса – например, направлен ли северный полюс вверх или вниз – известно как магнитный момент электрона или квантовое состояние.
Если определенные виды частиц имеют одинаковый магнитный момент, они не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. То есть два электрона в одном квантовом состоянии не могут сидеть друг на друге.
«Это одна из основных причин, по которой что-то вроде пенни, сделанного из металла, не разрушается само по себе», – говорит Никол. "Электроны раздвигаются, потому что они не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время."
Если два электрона находятся в противоположных состояниях, они могут сидеть друг на друге.
Удивительным последствием этого является то, что, если электроны находятся достаточно близко, их состояния будут меняться назад и вперед во времени.
«Если у вас есть один электрон, который находится вверху, а другой электрон, который опускается, и вы сдвинете их вместе в течение нужного промежутка времени, они поменяются местами», – говорит Никол. «Они не поменялись местами, но их состояния поменялись местами."
Чтобы вызвать это явление, Никол и его коллеги охладили полупроводниковый чип до чрезвычайно низких температур. Используя квантовые точки – наноразмерные полупроводники – они захватили четыре электрона подряд, затем переместили электроны так, чтобы они вошли в контакт, и их состояния поменялись.
«Есть простой способ переключить состояние между двумя соседними электронами, но выполнение этого на больших расстояниях – в нашем случае это четыре электрона – требует большого контроля и технических навыков», – говорит Никол. "Наше исследование показывает, что теперь это жизнеспособный подход к отправке информации на большие расстояния."
ПЕРВЫЙ ШАГ
Передача состояния электрона туда и обратно через массив кубитов без изменения положения электронов является ярким примером возможностей, предоставляемых квантовой физикой для информатики.
«Этот эксперимент демонстрирует, что информация в квантовых состояниях может передаваться без фактического переноса спинов отдельных электронов вниз по цепочке», – говорит Майкл Манфра, профессор физики и астрономии в Университете Пердью. "Это важный шаг для демонстрации того, как информация может быть передана квантово-механически – способами, совершенно отличными от нашей классической интуиции, которая заставила бы нас поверить в то, что."
Никол сравнивает это с этапами, которые привели от первых вычислительных устройств к сегодняшним компьютерам.
Тем не менее, у всех ли когда-нибудь будут квантовые компьютеры, которые заменят наши настольные компьютеры?? «Если бы вы задали этот вопрос IBM в 1960-х годах, они, вероятно, сказали бы нет, этого не произойдет», – говорит Никол. "Это моя реакция сейчас. Но кто знает?"