Рекордный эксперимент может решить огромную проблему в квантовых вычислениях

Два атома, раздутых до почти комических размеров и охлажденных до температуры чуть выше абсолютного нуля, были использованы для создания надежного, безумно быстрого двухкубитного квантового вентиля, который может помочь преодолеть некоторые постоянные проблемы квантовых вычислений.

Поскольку вентиль с двумя кубитами является фундаментальным строительным блоком эффективных квантовых компьютеров, этот прорыв имеет огромное значение. Это может привести к новому типу архитектуры квантового компьютера, который преодолевает существующие ограничения для бесшумных квантовых операций.

Кубит — это сокращение от термина «квантовый бит». Это квантовый эквивалент обычного бита — основной единицы информации, на которой основана вычислительная технология.

Для решения проблемы старомодным способом информация (и логика, используемая для ее вычисления) представлена ​​бинарной системой. Подобно выключателю света, все элементы, составляющие эту систему, находятся в исключительном состоянии: включено или выключено. Или, как их часто описывают, как единицу или ноль.

Что делает квантовые вычисления намного более мощными, так это то, что кубиты могут находиться в обоих состояниях одновременно, в состоянии, известном как квантовая суперпозиция. Сам по себе кубит не очень похож на компьютер. Однако в сочетании (или запутанном) с суперпозициями других кубитов они могут представлять некоторые очень мощные алгоритмы.

Двухкубитный вентиль — это логическая операция, основанная на квантовом состоянии двух запутанных кубитов. Это простейший компонент квантового компьютера, позволяющий запутывать и считывать кубиты.

Ученые уже некоторое время экспериментируют с квантовыми вентилями на основе различных материалов и добились выдающихся достижений. Однако одна проблема по-прежнему остается значительной: суперпозиции кубитов могут быстро и легко деградировать из-за того, что внешние источники также запутываются.

Ускорение ворот — лучший способ решить эту проблему: поскольку такое вторжение, как правило, происходит медленнее, чем миллионная доля секунды (одна микросекунда), квантовый вентиль, работающий быстрее, сможет «обогнать» шум для проведения точных вычислений.

Чтобы принять наклон в Для достижения этой цели, используя несколько отличный от обычного подход, группа исследователей во главе с физиком Йелаем Чу из Национального института естественных наук в Японии обратилась к сложной установке.

Сами кубиты представляют собой атомы металла рубидия. в газообразном состоянии. С помощью лазеров эти атомы были охлаждены почти до абсолютного нуля и размещены на точном микронном расстоянии друг от друга с помощью оптического пинцета — лазерных лучей, которые можно использовать для манипулирования объектами атомного масштаба.

Затем, физики воздействовали на атомы лазерами. Это сбило электроны с ближайшего орбитального расстояния к каждому атомному ядру на очень большое орбитальное расстояние, в результате чего атомы раздулись до объектов, известных как ридберговские атомы. Это произвело 6,5-наносекундный периодический обмен формой орбиты и энергией электронов между теперь огромными атомами.

Используя больше лазерных импульсов, исследовательская группа смогла выполнить операцию квантового вентиля между двумя атомами. Исследователи заявили, что скорость этой операции составила 6,5 миллиардных долей секунды (наносекунды) — более чем в 100 раз быстрее, чем в любых предыдущих экспериментах с ридберговскими атомами, что устанавливает новый рекорд для квантовых вентилей, основанных на этой конкретной технологии.

Это еще не совсем рекорд для самых быстрых операций квантовых вентилей с двумя кубитами. Это было достигнуто в 2019 году с использованием атомов фосфора в кремнии, достигнув умопомрачительных 0,8 наносекунд; но новая работа включает в себя другой подход, который может обойти некоторые ограничения других типов, находящихся в настоящее время в разработке.

Кроме того, изучение различных архитектур может привести к подсказкам, которые помогут свести к минимуму недостатки в других типах оборудования.

Следующие шаги, по словам команды, достаточно ясны. Им необходимо заменить коммерческий лазер на специально созданный, чтобы повысить точность, поскольку лазер может вносить свой вклад в шум; и внедрить более совершенные методы контроля.

Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.