Експеримент, що побиває рекорди, може вирішити величезну проблему квантових обчислень

Концептуальна діаграма, що ілюструє квантові ворота. (Доктор Такафумі Томіта/IMS)

Два атоми, роздуті до майже комічного розміру та охолоджені до частки вище абсолютного нуля, були використані для створення міцного, шалено швидкого двокубітного квантового затвора, який міг би допомогти подолати деякі з квантові обчислення постійні виклики.

Оскільки двокубітний шлюз є фундаментальним будівельним блоком ефективності квантові комп'ютери , цей прорив має величезні наслідки. Це може призвести до нового типу стільки, скільки комп'ютер архітектура, яка долає поточні обмеження для безшумних квантових операцій.

Кубіт — це скорочення, скорочення від терміну «квантовий біт». Це квантовий обчислювальний еквівалент звичайного біта – основної одиниці інформації, на якій базується обчислювальна технологія.



Щоб вирішити проблему старомодним способом, інформація (і логіка, яка використовується для її обчислення) представляється у двійковій системі. Подібно до вимикача світла, всі блоки, що входять до складу цієї системи, знаходяться в ексклюзивному стані увімкнено або вимкнено. Або, як їх часто називають, як одиниця або нуль.

Те, що робить квантові обчислення набагато потужнішими, полягає в тому, що кубіти можуть бути обома одночасно, у стані, відомому як квантова суперпозиція. Сам по собі кубіт не є комп’ютером. Однак у поєднанні (або переплутаному) із суперпозиціями інших кубітів вони можуть представляти серйозно потужні алгоритми.

Двокубітовий вентиль — це логічна операція, заснована на квантовому стані двох переплутаних кубітів. Це найпростіший компонент квантового комп’ютера, який дозволяє як заплутувати, так і зчитувати кубіти.

Вчені деякий час експериментували з квантовими воротами на основі різних матеріалів і досягли цього деякі надзвичайні прориви . Проте одна проблема продовжує залишатися важливою: суперпозиції кубітів можуть швидко й легко деградувати завдяки тому, що зовнішні джерела також заплутуються.

Прискорення воріт є найкращим способом вирішення цієї проблеми: оскільки це вторгнення зазвичай відбувається повільніше, ніж мільйонна частка секунди (одна мікросекунда), квантовий шлюз, який є швидшим, ніж цей, зможе «випередити» шум, щоб створити точний розрахунки.

Щоб досягти цієї мети, використовуючи дещо інший підхід, група дослідників під керівництвом фізика Йелая Чу з Національного інституту природничих наук Японії використала складну установку.

Самі кубіти являють собою атоми металевого рубідію в його газоподібному стані. За допомогою лазерів ці атоми були охолоджені майже до абсолютного нуля та розташовані на точній відстані один від одного в мікронному масштабі за допомогою оптичний пінцет – лазерні промені, які можна використовувати для маніпулювання об’єктами атомного масштабу.

Потім фізики імпульсували атоми за допомогою лазерів. Це збило електрони з найближчої орбітальної відстані до кожного атомного ядра на дуже широку орбітальну відстань, роздувши атоми в об’єкти, відомі як атоми Рідберга. Це викликало 6,5-наносекундний періодичний обмін орбітальною формою та енергією електронів між величезними тепер атомами.

Використовуючи більше лазерних імпульсів, дослідницька група змогла виконати квантову операцію між двома атомами. Швидкість цієї операції становила 6,5 мільярдних часток секунди (наносекунд) – у 100 разів швидше, ніж будь-які попередні експерименти з атомами Рідберга, кажуть дослідники, що встановлює новий рекорд для квантових воріт, заснованих на цьому конкретному виді технології.

Це ще не зовсім побило загальний рекорд найшвидших двокубітних операцій квантового вентиля. Це було досягнуто в 2019 році, використовуючи атоми фосфору в кремнії, досягнувши приголомшливої 0,8 наносекунд ; але нова робота передбачає інший підхід, який міг би уникнути деяких обмежень інших типів, які зараз розробляються.

Крім того, вивчення різних архітектур може привести до підказок, які допоможуть мінімізувати недоліки в інших типах обладнання.

Наступні кроки, за словами команди, досить зрозумілі. Їм потрібно замінити комерційний лазер на спеціальний, щоб підвищити точність, оскільки лазер може створювати шум; і запровадити кращі методи контролю.

Дослідження опубліковано в Фотоніка природи .

Про Нас

Публікація Незалежних, Перевірених Фактів Звітів Про Здоров'Я, Космос, Природу, Технології Та Навколишнє Середовище.