Для того, чтобы квантовые компьютеры, обладающие производительностью, во много раз превосходящей производительность самых мощных современных компьютеров, стали распространенной вещью, требуется чтобы их квантовые биты (кубиты) имели возможность сохранять свое квантовое состояние намного дольше, чем они способны делать это сейчас. И одним из возможных кандидатов на роль таких долгоживущих квантовых битов является ионы меди, спрятанные в недрах больших молекул.

Самым простым квантовым битом является атом или ион какого-либо химического элемента, имеющего один электрон на его внешней электронной оболочке.

Вращение этого электрона вокруг ядра атома может происходить в вертикальной или горизонтальной плоскостях, что соответствует значениям логических 1 и 0.

Но, при воздействии на такой атом импульса лазерного света или микроволнового излучения вращение электрона может происходить весьма экзотическим способом, он начинает вращаться одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскости, имея значения 1 и 0, что называют состоянием квантовой суперпозиции.

Однако, кубиты, по крайней мере большинство из созданных на сегодняшний день, могут находиться в состоянии суперпозиции очень непродолжительное время, позже которого это состояние разрушается влиянием спина электронов соседних атомов или других факторов окружающей среды.

Тем не менее, многочисленные группы ученых постоянно ищут способы удлинить время нахождения квантового бита в каком-либо определенном квантовом состоянии или состоянии суперпозиции, ведь только тогда можно будет производить при помощи этих кубитов требующееся количество операций квантовых вычислений.

Группа ученых из университета Штутгарта (University of Stuttgart), нашла способ защитить квантовый бит из иона меди, поместив его внутрь большой молекулы, словно в защитную клетку. В этой молекуле ион меди окружен атомами серы, углерода и азота, которые вращаются крайне и крайне медленно и которые изолируют медь от атомов водорода, быстрое вращение электронов которых и является основной причиной возникновения помех.

При температуре около 7 градусов по шкале Кельвина, медный кубит, скрытый в недрах молекулы, сохраняет свое квантовое состояние в течение 68 микросекунд. При повышении температуры до комнатной, ион меди все еще продолжает оставаться кубитом, но время сохранения квантового состояния сокращается до 1 микросекунды. Напомним нашим читателям, что

кубиты на основе атомов азота, помещенные в кристаллическую решетку алмаза, могут работать при комнатной температуре и демонстрируют гораздо большие значения времени хранения квантового состояния, но, «Вам не удастся создать полноценный квантовый компьютер при помощи одного единственного кубита» – утверждает Йорис ван Слагерен (Joris van Slageren), физик и химик из университета Штутгарта.

«Время хранения квантового состояния должно быть всегда больше времени, требующегося кубиту для выполнения одной квантовой вычислительной операции. В нашем случае это условие уже выполняется полностью, ведь время одной операции составляет от 20 до 40 наносекунд» – рассказывает ван Слагерен, – «При нынешних показателях стабильности наших кубитов мы можем выполнить порядка 3 тысяч операций за один цикл. Однако, для обеспечения работы квантового компьютера этот показатель должен быть равен минимум 10 тысячам, что в три раза больше полученных нами значений. Тем не менее, наши разработки оставляют далеко позади все подобные разработки, сделанные другими группами ученых».

Ученые сообщают,

использованный ими подход оставляет им еще достаточно много пространства для дальнейших маневров. И этими маневрами станет разработка новой, более большой молекулы, в оболочку которой будет заключен ион меди.

«Это позволит нам избавиться или компенсировать влияние вращения некоторых ядер атомов, которые все еще действуют на нынешний наш кубит из иона меди» – рассказывает ван Слагерен.

Еще одной положительной чертой кубита на основе иона меди, заключенного внутри молекулы, является то, что при помощи таких молекул можно достаточно просто получать массивы кубитов, упорядоченные весьма строгим образом и запутанные на квантовом уровне между собой и другими элементами квантовой вычислительной системы.

«Мы можем испарить определенное количество таких молекул в вакууме и при помощи импульсов микроволнового излучения осадить их на поверхность в строго заданном порядке, кроме этого, существует еще достаточно много методов контролируемого осаждения, которые мы также можем использовать» – рассказывает ван Слагерен, – «А импульсы микроволнового излучения, ориентированные особыми образом и имеющие заданные параметры, позволят нам запутывать индивидуальные кубиты между собой, производить запись и считывание информации из отдельных кубитов».