Исследователи из Института Пола Шеррера (PSI) разработали способ, как можно создавать более быстрые и точные квантовые биты — кубиты. Исследователи продемонстрировали, как их можно активировать, запутывать, использовать в качестве битов памяти и считывать. Теперь они опубликовали свою концепцию дизайна нового квантового компьютера и вспомогательные расчеты в журнале PRX Quantum.

Центральные элементы нового типа квантового компьютера — магнитные атомы из класса так называемых редкоземельных металлов, которые избирательно имплантируются в кристаллическую решетку материала. Каждый из этих атомов представляет собой один кубит.

На пути к квантовым компьютерам первоначальным требованием является создание так называемых квантовых битов или кубитов — битов памяти, которые могут, в отличие от классических битов, принимать не только двоичные значения нуля и единицы, но также любую произвольную комбинацию.

«Благодаря этому становится возможным совершенно новый вид вычислений и обработки данных , что для конкретных приложений означает огромное ускорение вычислительной мощности», – исследователь PSI Мануэль Гримм.

Физики описывают, как логические биты и основные компьютерные операции с ними могут быть реализованы в магнитном твердом теле: кубиты будут располагаться на отдельных атомах из класса редкоземельных элементов, встроенных в кристаллическую решетку основного материала.

На основе законов квантовой физики исследователи подсчитали, что ядерный спин редкоземельных атомов будет пригоден для использования в качестве носителя информации, то есть кубитов. Они также предполагают, что прицельные лазерные импульсы могут мгновенно передавать информацию электронам атома и, таким образом, активировать кубиты, в результате чего их информация становится видимой для окружающих атомов.

Два таких активированных кубита взаимодействуют друг с другом и, таким образом, могут быть «запутаны». Запутанность — это особое свойство квантовых систем из нескольких частиц или кубитов, которое важно для квантовых компьютеров: результат измерения одного кубита напрямую зависит от результатов измерения других кубитов, и наоборот.

Исследователи демонстрируют, как эти кубиты могут быть использованы для создания логических вентилей, в первую очередь управляемых вентилей со значением «НЕ» (вентилей CNOT). Логические вентили — это основные строительные блоки, которые классические компьютеры также используют для выполнения вычислений. Если объединить достаточно много таких вентилей CNOT, а также достаточное количество однокубитных вентилей, любая мыслимая вычислительная операция становится возможной. Таким образом, они составляют основу квантовых компьютеров.

Это не впервые, когда ученые предлагают использовать квантовые логические вентили. Однако этот метод активации и запутывания кубитов имеет решающее преимущество по сравнению с предыдущими сопоставимыми предложениями: он работает как минимум в десять раз быстрее. Еще одно преимущество заключается не только в скорости, с которой квантовый компьютер, основанный на этой концепции, может производить вычисления, а прежде всего, это касается подверженности системы ошибкам.

Кубиты не очень стабильны. Если процессы запутывания идут слишком медленно, существует большая вероятность того, что некоторые из кубитов тем временем потеряют свою информацию. По сути исследователи PSI обнаружили способ создания квантового компьютера не только как минимум в десять раз быстрее, чем сопоставимые системы, но и менее подвержен ошибкам в том же самом факторе.