Исследователи из Института Нильса Бора (Niels Bohr Institute), совместно с их коллегами из США и Австралии, разработали метод управления состоянием квантовых битов, кубитов, являющихся основой областей квантовых коммуникаций и квантовых вычислений. Управление состоянием и считывание содержащейся в кубите квантовой информации осуществляется с помощью резонанса серии квантовых точек, которые ведут себя подобно искусственным атомам кристаллической решетки твердых материалов.

Напомним нашим читателям, что в обычных компьютерах информация представляется в виде последовательности битов, которые могут принимать значение или 1 или 0. В квантовых вычислительных системах информация содержится в квантовых битах, кубитах, которые, помимо значений 1 и 0, могут находиться в состоянии суперпозиции, обладая значением 1 и 0 одновременно.

Благодаря этому при увеличении количества битов производительность квантовых компьютеров растет по экспоненциальной зависимости по отношению к производительности обычных компьютеров. Но основная проблема, наблюдаемая в мире квантовых вычислений, заключается в том, что невозможно прочесть или изменить квантовую информацию в кубите, не разрушив ее.

«Нам удалось найти новый способ управления электронами, который позволяет изменять их квантовое состояние без потребности его измерения или считывания. Мы добиваемся этого, используя известные резонансные явления из области атомной физики, которые действуют на уровне искусственных квазиатомов» – объясняет профессор Чарльз Маркус (Professor Charles Marcus), директор Центра квантовых устройств в Институте Нильса Бора в университете Копенгагена.

Для того, чтобы реализовать резонансное управление квантовым состоянием ученые скомбинировали на нанометровом уровне эффекты классической физики твердого тела с резонансными явлениями из области атомной физики.

В основе квантового устройства лежит кристалл полупроводникового материала, арсенида галлия (GaAs), внутри которого могут перемешаться электроны, переносящие квантовую информацию. Эта информация закодирована в виде направления вращения, спина, этих электронов.

Рис. 1.

«Мы захватываем эти электроны в специальные "коробки», каждая из которых представляет собой сложную квантовую точку, поведение которой соответствует поведению атому. Т.е. эта квантовая точка, по сути, является искусственным атомом. Каждая квантовая точка способна захватить один электрон, а три таких точки, расположенные в непосредственной близости друг от друга представляют собой квантовый бит, внутри которого каждый электрон начинает «чувствовать» электроны соседних квантовых точек, выравнивая их вращение при определенных условиях" – рассказывает профессор Маркус.

Электрический сигнал, подаваемый извне, приводит к раскачке «коробок» из квантовых точек, заставляя их резонировать на определенной частоте. Используя электрические сигналы с различными параметрами можно получить различную частоту резонансных колебаний квантовых точек, что заставляет электроны, заключенные в этих точках, принять определенное квантовое состояние.

«Комбинируя три электрона тройной квантовой точки и переменное электрическое поле определенной частоты, нам удалось четко разделить смежные энергетические уровни системы, что, в свою очередь, позволило управлять направлением вращения электронов без необходимости его измерения» – рассказывает Чарльз Маркус.

В настоящий момент времени ученые только разработали и опробовали новую методику управления квантовыми состояниями отдельных кубитов.

Следующим их шагом станет реализация управления не только одним кубитом, состоящим из трех квантовых точек, а целой последовательностью кубитов, что позволит этим кубитам обмениваться информацией между собой. А это, как можно понять, уже является многобитным квантовым компьютером, способным решать определенные задачи.