Учёным наконец-то удалось преодолеть главное препятствие в квантовых вычислениях: как защитить квантовую информацию от разложения окружающей средой и одновременно выполнять вычисления в твердотельных квантовых системах.

Данное исследование было опубликовано 5-го апреля 2012-го года в журнале «Nature».

Группа «Department of Energy’s Ames Laboratory» под руководством физика энергетика Вячеслава Добровицкого и учёных Дельфтского технологического университета (Delft University of Technology), Калифорнийского университета (University of California) в Санта-Барбаре и Южно-Калифорнийского университета (University of Southern California), сделала большой шаг вперёд на пути к использованию передвижения одинарных электронов и ядер для обработки квантовой информации.

Это открытие открывает двери для надёжных квантовых вычислений с твердотельными устройствами и использование квантовых технологий для магнитных измерений с точностью до одного атома в наномасштабе.

Квантовая обработка информации основана на комбинированном движении микроскопических элементов, таких как электроны, ядра, фотоны или ионы. В классической обработке информации, данные хранятся и обрабатываются в битах, а также данные, включённые в каждый бит ограничены только двумя значениями: 0 или 1. Но, в квантовом бите, называемом кубитом, данные могут иметь сразу 2 этих значения одновременно.

Эта сила квантовой обработки информации, также представляет собой серьёзную проблему: даже незначительное «толчок» вызывает у кубитов потерю данных. И кубиты, как правило, довольно чутко взаимодействуют с окружающей средой, где несколько сильных «толчков» могут вывести их из колеи.

Но, ключ к квантовой обработке информации в отношениях между кубитами, не такое простое решение, как отделение одного кубита из окружающей среды.

«Большим шагом вперёд является то, что мы смогли отделить отдельные кубиты из среды, поэтому они сохраняют, как свою информацию, так и связь между кубитами», — сказал Добровицкий.

Твердотельные гибридные системы полезны для квантовой обработки информации, потому что они состоят из различных типов кубитов, каждый из которых выполняет различные функции. В работе Добровицкого, гибридная система включает в себя магнитные моменты электрона и ядра.

«Этот тип гибридной системы может хорошо подходить для обработки квантовой информации, потому что электроны движутся быстро и ими можно легко управлять, но с другой стороны они также быстро теряют квантовую информацию. Ядра двигаются очень медленно и ими трудно управлять, но они очень хорошо сохраняют всю информацию», — сказал Добровицкий. «Вы можете увидеть аналогию между этой гибридной квантовой системой и частью классического компьютера: процессор работает быстро, но не долго хранит информацию, а память работает медленно, но хранит информацию в течение длительного времени».

Обычно, когда мы отделяем кубиты из среды, чтобы защитить квантовые данные, мы отделяем их от всего, даже друг от друга.

Но, Добровицкий нашёл узкую лазейку, при которой оба электрона и ядра, могут быть отделены из среды, при этом сохраняя свои отношения друг к другу.

«Решение применяет определённую структуру ударов в магнитный момент электрона, так что крошечные вращения между ударами накапливают и совпадают с вращением ядра», — сказал Добровицкий. «Мы можем выделить отдельные движения электрона из тысячи других, потому что он синхронизирован с движением ядерного магнитного момента».

В результате, электрон и движение ядра остаются связанными, в то время, как они оба защищены от «ухода с курса» и сохраняют свои возможности квантовой обработки информации.

Эксперименты, проведённые группой учёных из Дельфтского технологического университета в Нидерландах и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, показали, что теоретическая разработка этого метода хорошо работает и на практике.

Исследователи применили технику и показали, что она может быть использована для малой обработки квантовой информации. Учёные из Дельфтского технологического университета и «UCSB» успешно провели квантовый алгоритм Гровера, метод для поиска случайных списков. В этом случае, они заставили твердотельную гибридную систему правильно искать список, состоящий из четырёх случайных элементов.

«Это первый случай, когда надёжные квантовые вычисления были продемонстрированы с помощью твердотельных систем с отдельными спинами», — сказал Добровицкий. «Мы показали, что даже с неизбежным несовершенством экспериментов, мы можем использовать эту систему и сделать квантовую обработку информации таким образом, что она побьёт свой классический аналог. В самом деле, в списке из четырёх элементов, квантовое устройство находит с уверенностью нужный элемент, глядя в список только один раз, в то время, как классический аналог должен проверить все четыре элемента по отдельности».

В то время, как список из четырёх элементов, является небольшим, учёные рассмотрели возможность случайного списка, состоящего из миллионов записей. Прибегая к классическому вычислению, было совершено 500000 запросов. Но, с использованием квантовой обработки информации, было совершено всего лишь 1000 запросов, тем самым показывая, насколько быстрее будет завтрашняя квантовая обработка информации, сегодняшних классических современных компьютеров.

Исследования, проведённые в «Ames Laboratory», финансировались «DOE’s Office of Science».