По кирпичикам. Сенсационная работа физиков открывает путь к созданию квантовых компьютеров

Главная проблема квантовых компьютеров, которая не дает технологии стать массовой — подверженность этой системы ошибкам. Кубиты — то есть квантовые аналоги бита в классических компьютерах — чрезвычайно подвержены декогеренции или «шуму»: так ученые называют внешнее воздействие окружающей среды, которое очень быстро разрушает связь между кубитами.

Именно эта связь — а именно квантовая запутанность — является главным козырем квантовых компьютеров. Это такое явление, при котором состояние одного кубита влияет на состояние всех остальных кубитов, связанных с ним в единую систему.

Фотоны являются идеальными кубитами. Проблема в том, что рабочему квантовому компьютеру нужно много кубитов для работы: тысячи или может даже миллионы. В общем, здесь работает золотое правило: чем больше, тем лучше. Однако проблема не только в том, чтобы создать кубиты и поместить их в процессор: важно, чтобы все они были запутаны между собой.

Вот здесь возникают сложности, поскольку поддерживать такие сложные системы при помощи современных технологий практически невозможно.

Однако ученые разрабатывают новые методы создания кубитов и поддержания их запутанности, что позволяет нам надеяться на дальнейшие масштабирования этих технологий.

Физики из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге сумели провести эксперимент, в котором запутали между собой состояние 14 фотонов (частиц света) в оптическом резонаторе — это что-то вроде эхо-камеры для электромагнитных волн.

Свое исследование они опубликовали в журнале Nature. По словам ученых, фотоны хорошо подходят в качестве прототипов для кубитов, поскольку они «прочны по своей природе и ими легко манипулировать».

Исследователи поместили атом рубидия в оптический резонатор. С помощью лазера они создали цепочку из 14 фотонов, которые были связаны с квантовым состоянием атома и одновременно запутанны друг со другом. До сих пор никому не удавалось сгенерировать такое количество взаимосвязанных частиц света.

Здесь важную роль также сыграл метод создания этой цепочки фотонов. До сих пор ученые создавали их внутри особого вида кристалла, где исследователи не могли контролировать процесс, из-за чего фотоны не поддавались контролю: то есть, какие-то могли «запутываться», а какие-то — нет. Здесь же, при помощи лазера, ученым удалось создавать фотоны с нужными свойствами, причем потенциально их количество не ограничивается 14.

Кроме того, ученые отмечают еще и эффективность производства взаимосвязанных фотонов: по их словам, уровень генерации в 50% — это большой успех и планка, которую до сих пор никому не удавалось достичь. «В целом наша работа устраняет давнее препятствие на пути к масштабируемым квантовым вычислениям», — резюмирует результаты исследования Герхард Ремпе, один из ученых, участвовавших в работе.

Интересно, что рубидий также ранее использовали физики из Японии, чтобы создать квантовый вентиль, который является основой для создания квантовой микросхемы.

Некоторые журналисты уже сравнивают это достижение немецких ученых с созданием временных кристаллов, которые можно использовать в качестве кубитов. Это уникальная структура, которая практически не потребляет энергии, а также может легко адаптироваться к экстремальным условиям, необходимым для работы квантовых процессоров.

Исследователи отмечают, что придуманный ими метод создания стабильных запутанных кубитов может полностью изменить технологию квантовых вычислений в лучшую сторону, позволив масштабировать систему и в то же время убрать проблему шума. Кроме того, их открытие может стать основой для развития квантовой связи — то есть передачи информации при помощи света в оптическом волокне.

Сейчас этот способ также пребывает в зачаточной информации, однако многие уверены, что технологии будущего позволят развить эту технологию. Потенциально это даст нам более безопасный и быстрый способ, чтобы передавать информацию. Некоторые ученые даже считают, что при помощи квантовой связи мы сможем установить контакт со внеземными разумными цивилизациями.

Очевидно, потребуется время, чтобы развить технологию создания кубитов, придуманную немецкими учеными. Однако их работа показывает, что у квантовых вычислений действительно есть будущее — нам лишь остается найти оптимальный способ, чтобы перенести его в реальность.