Создан "рекордный" квантовый регистр из 20 запутанных кубитов

За последние годы исследователи, работающие в области квантовых вычислений, добились некоторых успехов и на свет уже начали появляться квантовые вычислительные системы, количество квантовых битов, кубитов, в которых исчисляется несколькими десятками. Тем не менее, для реализации полноценных квантовых вычислений требуется, чтобы эти кубиты могли объединяться в квантовые регистры при помощи явления квантовой запутанности. При этом, размер (разрядность) этих регистров должна быть достаточной для того, чтобы при их помощи можно было выполнять самые сложные процедуры обработки квантовой информации.

Для создания квантового регистра исследователи поместили 20 ионов кальция в специальную электростатическую ловушку. Электрическое поле этой ловушки выстроило ионы в одну прямую линию, а второе, боковое электрическое поле, поместило эти ионы на расстоянии 5 микрон друг от друга. Возможностей такого регистра, который может хранить в себе более миллиона квантовых состояний одновременно, пока еще не достаточно для реализации и демонстрации квантового превосходства, т.е. превосходства квантовых систем перед обычными вычислительными системами при решении сложнейших и тяжелых задач.

Ион кальция имеет один валентный электрон, вращающийся на внешнем слое. Направление вращения этого электрона и определяет квантовое состояние иона-кубита, при этом, кубит может находиться в двух квантовых состояниях, которые соответствуют логической 1 и 0. Более того, квантовая природа этого кубита позволяет ему также находиться в третьем состоянии, в состоянии суперпозиции, когда его значение равно и 1, и 0 одновременно.

Когда два кубита, находящиеся в состоянии суперпозиции, запутываются на квантовом уровне, количество квантовых состояний, в которых может находиться эта пара, увеличивается до четырех. Добавление еще одного кубита к запутанной паре удваивает количество состояний, и цепочка из 20 запутанных кубитов может содержать 2^20 или 1 048 576 значений.

Упомянутое выше число не является на сегодняшний день внушительным, как с точки традиционных вычислений, так и с точки квантовых вычислений особенно. Такой разрядности еще крайне недостаточно для реализации сложных квантовых операций, все этапы которых выполняются одновременно. Для нормального функционирования квантовому регистру необходимо не только содержать в себе данные, но и весь набор инструкций для их обработки. С учетом этого, квантовый регистр, обеспечивающий достаточную функциональность, должен состоять минимум из нескольких тысяч запутанных кубитов.

Для запутывания ионов кальция друг с другом исследователи использовали лучи лазерного света, которые перевели кубиты в чередующиеся квантовые состояния (1,0,1,0,1 …). Луч лазера был сфокусирован до максимума при помощи специальной оптики, его ширина приблизительно соответствовала длине волны света, подобранной для эффективной "работы" с ионами кальция, с одним ионом за один раз.

После этого исследователи осветили цепочку ионов лазерным лучом, длина волны которого была в два раза больше длины волны первого лазера. И сразу после этого в цепочке ионов начали образовываться пары соседних запутанных ионов, которые затем превращались в тройки, четверки и т.п. до тех пор, пока все ионы в цепочке не оказались запутаны между собой.

Как только запутывание цепочки было завершено, состояние отдельных ионов могло быть считано при помощи света лазера и света, отражаемого ионом. Однако, законы квантовой механики позволяют нам считать состояние квантовых битов всего лишь один раз, ведь это измерение состояния нарушает само это состояние и достаточно часто приводит к нарушению квантовой запутанности. Поэтому исследователям пришлось провести процедуры запутывания и считывания состояния многие тысячи раз, прежде чем они не получили необходимый им набор статистических данных.

На следующем этапе ученые попытаются повторить подобный "трюк" с 50 ионами. При этом, сложность интерпретации набора собранных данных увеличится на порядки. Это, в свою очередь, потребует еще большей точности при настройке запутанных кубитов и использования новых методов для контроля их квантового состояния.

"Сейчас мы продемонстрировали возможность высокоточных манипуляций и управления квантовыми свойствами отдельных кубитов" - рассказывает Роджер Мелько (Roger Melko), ученый из университета Ватерлоо, Канада, - "Такие новые технологии делают нас еще на один шаг ближе к созданию истинного квантового компьютера".