Американские физики создали простейший квантовый процессор на основе элементов, близких к современным технологиям микроэлектроники. Данная разработка может существенно продвинуть работы по созданию первых полноценных квантовых компьютеров, считают авторы исследования, опубликованного в журнале Nature.
Работы по созданию квантовых компьютеров ведутся уже относительно давно. Преимуществом этих компьютеров, пока что только в теории, является невероятная скорость обработки информации, которая должна позволить им в будущем решать задачи, непосильные даже для самых современных суперкомпьютеров.
Принципиальным отличием квантовых компьютеров от современных является использование так называемых квантовых битов, кубитов, вместо двоичной системы представления информации в виде 0 и 1. Кубиты, в отличие от битов — единичных ячеек информации в современных компьютерах — могут не только находиться в одно и то же время в двух различных состояниях (0 и 1), но и испытывать состояние так называемого квантового запутывания.
Это состояние кубитов проявляется в том, что, будучи разделенными большими расстояниями, на которых никакие физические силы их уже не связывают, кубиты ведут себя так, как будто между ними происходит какое-то взаимодействие, а изменение состояния одной частицы в системе приводит к закономерному изменению состояния другой.
Это явление до сих пор остается во многом загадочным для физиков — ученым пока неизвестно, как именно и с какой скоростью происходит передача информации о состоянии одной частицы к другой, однако ничто не мешает им пытаться применить его, руководствуясь многолетним опытом наблюдений.
До сих пор в качестве кубитов в своих экспериментах по квантовым вычислениям ученым приходилось использовать довольно экзотические объекты — переохлажденные заряженные атомы, ионы, удерживаемые с помощью сильных магнитов и лазеров.
Леонардо Ди Карло (Leonardo DiCarlo) и его команда из Йельского университета в Нью-Хейвене впервые сумели применить твердотельные элементы для создания простейшего квантового процессора, состоящего всего из двух кубитов. В качестве кубитов Ди Карло использовал две тонкие пластинки ниобия, помещенные на поверхность оксида алюминия и разделенные небольшой канавкой. Пластинки ниобия охлаждались до температуры, всего на долю градуса отличающейся от абсолютного нуля, при которой переходили в сверхпроводящие состояние. Для контроля состояния кубитов и перевода их в состояние «квантового запутывания» ученые использовали микроволновое излучение, которое заполняло пространство между пластинками.
Процессор Ди Карло оказался способен выполнять два простых алгоритма. Первый, так называемый алгоритм Гровера, похож на поиск имени в базе данных абонентов по известному номеру телефона. Машина в этом случае должна считать все имена и телефоны из базы данных и выдать в конце программы имя.
В случае процессора Ди Карло сигналом является состояние, которое принимает та или иная пластинка ниобия после выхода из состояния «квантового запутывания». Это состояние можно определить с помощью микроволнового излучения. Второй алгоритм, который способен выполнять процессор Ди Карло — куда более простой алгоритм Дойча-Джоза, который, в частности, позволяет определить, является ли жеребьевка с использованием монетки честной, то есть равновероятно ли выпадение орла или решки, или в ходе розыгрыша выпадает только одна из сторон монетки.
Как оказалось, процессор Ди Карло выполняет с 80% вероятностью первый алгоритм и с 90% — второй.
Однако, несмотря на успех, Ди Карло признает, что его систему куда сложнее реализовать для трех и более кубитов, и, вероятно, это дело не самого близкого будущего. «Мы создали очень примитивный квантовый процессор, которому еще очень далеко до полноценного квантового компьютера», — сказал Ди Карло, слова которого приводит Nature News.
«Тем не менее, данная работа — первый шаг, без которого невозможно дальнейшее развитие квантовых компьютеров,» — считает Ганс Муиж (Hans Mooij), эксперт из Университета города Делфт в Нидерландах.