Американские физики продемонстрировали новый метод передачи информации о состоянии электронов. Исследование на один шаг приближает ученых к созданию полнофункциональных квантовых компьютеров. Статья об этом опубликована в журнале Nature.

Квантовый компьютер работает на принципах квантовой механики — законах, характерных только для частиц атомного и субатомного масштаба. На этом уровне перестает работать классическая физика и наблюдаются необычные эффекты. Такой компьютер способен выполнять сложные вычисления, разлагать чрезвычайно большие числа и моделировать поведение атомов и частиц с высокой детализацией и скоростью.

Квантовые компьютеры отличаются от обычных прежде всего тем, что для передачи информации они используют не биты, как обычные вычислительные устройства, а кубиты. Они могут принимать не только значения «0» и «1», но и суперпозицию этих двух состояний. Именно это свойство кубитов делает квантовый компьютер перспективным вычислительным устройством. Однако, как и обычные компьютеры, квантовые также нуждаются в способе передачи информации между кубитами, и это представляет собой серьезную экспериментальную проблему.

Основная сложность заключается в защите от ошибок. В обычных вычислительных устройствах это позволяет сделать простое копирование состояний битов. Поэтому, если один из битов вдруг ошибается, другие извлекают из памяти его копию и работают дальше. Но кубиты нельзя скопировать. К счастью, в квантовом компьютере есть другой способ исправления ошибок. Однако для этого нужно, чтобы один кубит взаимодействовал с несколькими соседями.

Чтобы осуществить это, исследователи из Рочестерского университета и Университета Пердью воспользовались квантовыми свойствами электронов. А именно — принципом Паули, согласно которому в атоме не может быть двух и более электронов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии. В данном случае ученых интересовала только одна характеристика этих элементарных частиц — их собственный момент вращения, или спин.

Исследователи показали, что, если два электрона с разными спинами достаточно хорошо сблизить, с ними могут происходить интересные превращения. Например, направление их спинов может меняться во времени одновременно. То есть фактически второй электрон становится точной копией первого, а первый — второго. Чтобы сделать это, ученые охладили полупроводниковый чип до чрезвычайно низких температур. Используя квантовые точки — наноразмерные полупроводники, — они захватили четыре электрона подряд, затем переместили их так, чтобы они начали контактировать и их состояния переключились.

По словам ученых, передача состояния электрона без изменения его фактического положения открывает большие перспективы в совершенствовании квантовых компьютеров.