Команда австралийских исследователей из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) разработала кубит, который остается в стабильной суперпозиции в 10 раз дольше, чем предыдущие разработки. Ученые уверены, что их новый кубит может существенно повысить надежность квантовых вычислений. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology 17 октября 2016 года

Кубиты(квантовые биты) могут принимать значение 0 и 1, как и стандартные биты, но при этом переходят в состояние суперпозиции при любом изменении состояния. Новую технологию, разработанную в UNSW, назвали «одетым» кубитом. Это не случайно: такой кубит представляет собой спин одного атома кремния, окруженного электромагнитным полем. Это свойство позволяет квантовому биту сохранять информацию о кванте дольше, чем «не одетому» атому.

«Одетый» квантовый бит — не первое достижение UNSW в области квантовых вычислений: команда уже создавала самый долгоживущий кубит в твердом состоянии. Это стало возможным посредством кодирования квантовой информации в спин одного атома фосфора в кремниевом кристалле, размещенном в статическом магнитном поле.

Сейчас ученые реализовали новый способ кодирования информации. Они подвергли атом очень сильному, постоянно колеблющемуся электромагнитному полю в диапазоне сверхвысоких частот. Результаты оказались поразительными: так как поле непрерывно колеблется на высокой частоте, любой шум или помехи на различных частотах взаимно вычитаются и сводятся к нулю. Исследователи достигли результата, при котором состояние суперпозиции можно удерживать в 10 раз дольше, чем раньше.

Все предыдущие кубиты были хрупкими и недолговечными. Сохранение суперпозиции в течение долгого времени стало одним из главных препятствий на пути развития квантовых вычислений. Однако исследовательской группе удалось продлить это состояние до 2,4 миллисекунд. За это время можно совершить гораздо больше операций, чем раньше. Вместе с этим увеличился и промежуток времени, в течение которого информация надежно сохраняется. Ученые отмечают, что такого результата нельзя было достичь с «не одетым» квантовым битом.

Вместе с информацией о расширении временных рамок суперпозиции, исследователи также сообщили, что «одетый кубит» предусматривает большую пропускную способность для различных манипуляций. «Одетый» кубит, в отличие от «не одетого», контролируется различными способами. Андреа Морелло, руководитель исследовательской группы UNSW предполагает, что управлять квантовым битом можно, модулируя частоту микроволнового поля, как FM-радио. «Не одетый» кубит, в свою очередь, требует переключения амплитуды поля, как радио AM.

Возможно, именно поэтому кубит, окруженный магнитным полем, является более устойчивым к шуму. Квантовая информация управляется частотой, которая является неизменной, в то время как амплитуда может подвергаться воздействию внешнего шума. Поскольку устройство построено на стандартной кремниевой технологии, его можно использовать для создания мощных и надежных квантовых процессоров. Этапы производства не будут отличаться от того, который используют для современных компьютеров.

«Одетый» квантовый бит – более универсален и долговечен, чем один электрон, и это позволит нам создавать более надежные квантовые компьютеры» — отмечает Арнэ Лёхт.

Сегодня команда UNSW – мировой лидер в развитии квантовых вычислений на основе кремния. При участии Морелло команде удалось получить $70 миллионов австралийских долларов (53,5 миллиона долларов США) от исследователей, бизнесменов и австралийского правительства. Эта сумма будет потрачена на создание прототипа кремниевой квантовой интегральной схемы – первого шага в строительстве квантового компьютера.

Создание квантового компьютера часто называют «космической гонкой XXI века». В теории эта машина может стать революционным инструментом для вычислений, которые не может произвести любое другое устройство. В обычном компьютере вся информация представляется в виде 0 и 1, тогда как квантовый может сочетать оба варианта одновременно. Все происходит сразу, и не нужно перебирать длинный список вариантов, чем, собственно, и занимаются «классические» устройства. В ряду ключевых областей: поиске информации в больших и несортированных базах данных, решении сложных систем уравнений и создании лекарственных препаратов квантовому компьютеру просто не будет равных.

Квантовые компьютеры могли бы быстро разрабатывать лекарства за счет ускоренной работы системы автоматизированного проектирования фармацевтических соединений и сокращения времени на тесты. Кроме того, можно конструировать новые, более легкие и прочные материалы во всех сферах производства, от бытовой электроники до строительства самолетов.

Первый квантовый компьютер, созданный в 1998 году, мог управлять одним-единственным кубитом, а у современных эта цифра не выходит за пределы 16. По прогнозам ученых, чтобы компьютер смог решать поставленные задачи, минимальное число кубитов должно превышать два десятка. Несколько лет назад компания D-Wave попыталась создать процессор с 84 квантовыми битами, однако специалисты раскритиковали его, сообщив, что он работает точно так же, как и обычный чип. Сейчас ученые MIT работают над созданием чипа-прототипа, который способен «заманить» ионы в ловушку электрического поля и управлять ими с помощью лазерной технологии.

Все это подталкивает к выводу, что пока квантовые компьютеры далеки от практического применения. Тем не менее, их фактический потенциал неоспорим. В один прекрасный день компьютер сможет быстро и легко выполнить расчеты, которые отнимают ужасно много времени на классических устройствах. Уже сейчас они представляют угрозу асимметричной криптографии.