Майже абсолютний нуль. Нове відкриття японських фізиків розв’язує головну проблему квантових комп’ютерів

Щоб квантовий комп’ютер працював, йому потрібен «прокачаний» логічний вентиль. Це базовий елемент, що перетворює безліч вхідних сигналів на єдиний логічний сигнал, який і приводить у дію двигун квантового комп’ютера — його процесор.

Однак логічний вентиль — це логічна операція, яка живить сучасні комп’ютери. Квантовим комп’ютерам потрібні, як нескладно здогадатися, квантові вентилі, які працюватимуть не з бітами, а з кубітами.

Що таке кубіт?

Кубіт — це скорочення від терміну квантовий біт та його замінник у квантових технологіях. Якщо біт — це мінімальна одиниця у звичайних комп’ютерах, то кубіт — у квантових.

Сьогодні всі логічні сигнали надходять у процесор комп’ютера за допомогою двійкової системи числення. У ваших ноутбуках біти існують лише у двох станах — 0 або 1. Кубіти можуть перебувати в суперпозиції, тобто у двох станах одночасно — і 0, і 1, що дає їм величезну перевагу перед сучасними технологіями.

Сам собою кубіт не є комп’ютером. Однак, якщо зв’язати відразу кілька кубітів між собою так, щоб стан кожного з них відповідав стану інших кубітів із загальної системи, можна отримати потужну машину, яка зможе проводити обчислення з небаченою досі швидкістю.

Чим більше кубітів у квантовому комп’ютері, тим більше можливих станів доступні. Один кубіт додає один ступінь до 2. Два кубіти дасть 4 можливі стани (2²); десять кубітів — 1024 (2¹º) і так далі. Завдяки цьому квантові комп’ютери потенційно можуть перебирати варіанти та розв’язувати завдання набагато швидше.

Квантовий вентиль

Квантовий вентиль є основою для створення квантової мікросхеми. Він працює на невеликій кількості кубітів (зазвичай двох або чотирьох) і виконує ту ж роль, що й логічні вентилі у звичайних комп’ютерах: перекладають інформацію та зрозумілу для квантового комп’ютера «мову», таким чином обертаючи шестерні його механізмів.

Наприклад, двокубітний вентиль — це логічна операція, заснована на квантовому стані двох заплутаних кубітів. Однак головною проблемою для таких операцій є нестабільність зв’язку кубітів, що порушується через мінімальні зміни в навколишньому середовищі. Це призводить до помилок у роботі квантових комп’ютерів — а який сенс від швидких розрахунків, якщо вони неточні?

Щоб зв’язок кубітів не розривався, вони мають бути в досить екстремальному середовищі. Крім того, вчені припускають, що прискорення роботи вентиля допоможе уникнути помилок, оскільки таке довкілля «не встигатиме» вплинути на кубіти і провокуватиме помилки. Можливість виключити ці помилки буде ключем до подальших розробок квантових комп’ютерів та їх масштабування.

Для цього група дослідників на чолі з фізиком Їлаєм Чу з Національного інституту природничих наук Японії використали атоми металевого рубідія в газоподібному стані, попередньо охолодивши їх майже до абсолютного нуля. За допомогою оптичного пінцета — надзвичайно маленьких лазерів — вчені розмістили їх на мікронно-точній відстані один від одного.

Впливаючи на атоми лазерами, фізикам вдалося виконати операцію квантового вентиля між ними. Швидкість операції склала 6,5 наносекунд — більш ніж у 100 разів швидше, ніж у попередніх подібних експериментах.

Вчені впевнені, що заміна лазера на спеціально створений для цього конкретного завдання допоможе проводити операцію ще швидше. На їхню думку, комерційний лазер також є частиною навколишнього середовища для кубітів і впливає на їхню роботу. Спеціально створений пристрій потенційно допоможе ще більше прискорити роботу квантового вентиля і нарешті розробити архітектуру для квантового комп’ютера.