«Гигантские суператомы» открывают новые возможности для квантовых компьютеров
Ожидается, что квантовые компьютеры произведут революцию в таких областях, как разработка лекарств и шифрование, позволив решать задачи, которые сегодня не под силу современным компьютерам. Однако практическая реализация квантовых компьютеров замедляется из-за фундаментальной проблемы, известной как декогеренция — тенденции к потере квантовыми битами, или кубитами, информации при взаимодействии с окружающей средой. Даже малейшие помехи в виде электромагнитного шума могут разрушить хрупкие квантовые эффекты, необходимые для надежных вычислений.
«Квантовые системы чрезвычайно мощны, но в то же время крайне хрупки. Чтобы научиться использовать их с пользой, нужно понять, как контролировать их взаимодействие с окружающей средой», — говорит Лэй Ду — ведущий автор научной статьи, в которой представлена теоретическая модель совершенно новой квантовой системы, разработанной исследовательской группой Чалмерского университета. Их система основана на новой концепции гигантских суператомов и сочетает в себе несколько ключевых свойств. Она подавляет декогеренцию и стабильна, но при этом состоит из множества тесно связанных «атомов», которые действуют сообща.
Гигантские суператомы сочетают в себе две разные квантово-механические конструкции: гигантские атомы и суператомы. В последние годы их изучали по отдельности, но до сих пор не объединяли. Они ведут себя как атомы, но не являются природными атомами. Скорее, это искусственные структуры, которые физики научились создавать .
Концепция гигантских атомов была предложена исследователями из Чалмерского университета чуть более десяти лет назад и с тех пор стала общепринятым термином в этой области. Гигантский атом чаще всего представляет собой кубит (наименьшую единицу квантовой информации). Атом имеет несколько пространственно разнесенных точек взаимодействия со световой или звуковой волной, что позволяет ему взаимодействовать с окружающей средой в нескольких точках одновременно. Это дает возможность гигантскому атому защищать квантовую информацию.
«Волны, исходящие из одной точки соединения, могут распространяться в окружающей среде и возвращаться, воздействуя на атом в другой точке — это похоже на то, как если бы вы услышали эхо собственного голоса до того, как закончите говорить. Такое самовзаимодействие приводит к весьма полезным квантовым эффектам, снижает декогеренцию и позволяет системе сохранять память о прошлых взаимодействиях», — объясняет Антон Фриск Кокум, доцент кафедры прикладной квантовой физики в Чалмерсе и соавтор исследования.
Хотя гигантские атомы уже расширили наши представления о квантовой физике, их способность использовать другое ключевое квантовое явление — квантовую запутанность — до сих пор была ограниченной. Квантовая запутанность позволяет нескольким кубитам находиться в одном квантовом состоянии и работать как единая система. Это необходимое условие для создания мощных крупномасштабных квантовых компьютеров.
Исследователи решили эту проблему, объединив гигантские атомы с концепцией суператома. Суператом — это структура, состоящая из нескольких обычных атомов, которые имеют общее квантовое состояние и ведут себя как единый атом большего размера.
Предполагается, что благодаря этому сочетанию будет проще создавать сложные квантовые состояния, которые необходимы для будущих квантовых коммуникаций, квантовых сетей и высокочувствительных датчиков.
«Гигантский суператом можно представить как несколько гигантских атомов, работающих вместе как единое целое и демонстрирующих нелокальное взаимодействие между светом и материей. Это позволяет хранить квантовую информацию от нескольких кубитов и управлять ею в рамках одного устройства без необходимости в усложнении окружающих его схем», — объясняет Лэй Ду.
«Гигантские суператомы открывают перед нами совершенно новые возможности, предоставляя в наше распоряжение мощный инструментарий. Они позволяют нам управлять квантовой информацией и создавать квантовую запутанность способами, которые раньше были крайне затруднительными или даже невозможными», — говорит Джанин Сплеттстоссер, профессор прикладной квантовой физики в Чалмерсе.
Полученные результаты открывают новые возможности для создания масштабируемых и надежных квантовых систем. Теперь исследователи планируют перейти от теории к созданию квантовой системы. Их концепцию можно комбинировать с другими типами квантовых систем, например использовать в качестве строительного блока для объединения нескольких систем.
Сообщение «Гигантские суператомы» открывают новые возможности для квантовых компьютеров появились сначала на Время электроники.