О принципе работы квантового компьютера

Квантовые вычисления из красивой гипотезы постепенно переходят в разряд вполне реальных явлений. Новый шаг в этом направлении сделали американские физики из Национального института стандартов и технологий (NIST), которые научились исправлять ошибки в кубитах.

Та же группа ранее продемонстрировала основные прототипы всех компонентов для создания квантового компьютера, в том числе и метод исправления ошибок. Одним из таких компонентов является кубит - квантовое устройство для хранения, обработки и передачи квантовой информации. Будущие квантовые компьютеры смогут радикальным образом улучшить криптографические системы, используемые для защиты передачи конфиденциальной информации. Некоторые оптимисты уверены даже в возможности создания невзламываемого кода. В перспективе квантовые компьютеры будут использоваться для ускоренного поиска в базах данных, создания систем аутентификации пользователя на основе его цифровой подписи.

Для функционирования кубитов важно уметь создавать так называемые запутанные квантовые состояния и исправлять возможные ошибки при их передаче и хранении. Запутанные состояния необходимы для телепортации информации. Запутанность состояний - одно из самых необычных проявлений квантовой физики. Оно заключается в том, что у двух или более квантовых частиц, не связанных между собой химической связью, наблюдается корреляции в свойствах и поведении. При сближении двух атомов или фотонов запутывание состояний происходит спонтанно, а при удалении эта запутанность сохраняется. На запутанность влияют многие внешние факторы, в том числе магнитное поле. Чтобы использовать запутанные квантовые состояния в практических целях, надо научиться создавать их, передавать на заметное расстояние, отделять затем результаты нежелательных внешних воздействий (шумов) и получать чистое состояние.

Ученым из NIST впервые удалось выделить чистые квантовые состояния у атомов, которые были предварительно запутаны (т.е. у атомов волновые функции были результатом Єaерпозиции функций двух отдельных атомов), сообщает PhysOrg. Ранее аналогичного результата удалось добиться для фотонов. Нынешний результат ценен еще и тем, что при этом методика не разрушала атомы. Прямое измерение привело бы к разрушению запутанного состояния у атома. Удалось это сделать простым способом - идентичные запутанные состояния создавали у двух пар атомов, а измеряли только одну.

В качестве устройств хранения квантовой информации были использованы ионные ловушки. Процесс исправления ошибок в этих устройствах критически важен, потому что частицы могут быть запутаны только при близком контакте друг с другом, и связь квантовых состояний ослабевает по мере удаления частиц.

В процессе NIST исправление ошибок в ионных ловушках происходит перед тем, как информация будет далее передана фотонам в большой сети передачи данных. Ученые использовали ультрафиолетовый лазер для создания двух пар ионов бериллия с запутанными состояниями в ионной ловушке. Аналогичный процесс был использован для перекрестного запутывания двух уже запутанных пар. Затем состояние первой пары ионов измерялось, и эти результаты были использованы для определения того, была ли вторая (не участвующая в измерении) пара ионов запутана с меньшим количеством ошибок. Потом проводили дополнительные испытания с целью проверки полученных результатов.

Ученым удалось достичь рекордного значения степени безошибочности сохраняемого квантового состояния (хотя оно и не достаточно для того, чтобы его можно было использовать в квантовом компьютере или другом подобном устройстве). Из каждых трех попыток одна оказывалась успешной (для сравнения - в случае фотонов была успешной лишь одна попытка из миллиона). Методика может быть усовершенствована (теоретический подход для этого уже разработан), и запутанные состояния можно будет воспроизводить столько раз, сколько потребуется для создания устойчивого потока запутанных частиц.