Ученые Института физики Тартуского университета нашли способ разработать оптические квантовые компьютеры нового типа. Центральное место в открытии занимают ионы редкоземельных элементов, которые обладают определенными характеристиками и могут действовать как квантовые биты. Это дало бы квантовым компьютерам сверхбыструю скорость вычислений и лучшую надежность по сравнению с более ранними решениями.

Об этом сообщает Optics Communications.

В то время как в обычных компьютерах единицами информации являются двоичные цифры или биты, в квантовых компьютерах единицами измерения являются квантовые биты или кубиты. В обычном компьютере информация в основном переносится электричеством в ячейках памяти, состоящих из полевых транзисторов, но в квантовом компьютере, в зависимости от типа компьютера, носителями информации являются гораздо более мелкие частицы, например ионы, фотоны и электроны.

Информация о кубите может нести определенную характеристику этой частицы (например, спин электрона или поляризацию фотона), которая может иметь два состояния. Хотя значения обычного бита равны 0 или 1, в квантовом бите возможны также промежуточные варианты этих значений. Промежуточное состояние называется суперпозицией. Это свойство дает квантовым компьютерам возможность решать задачи.

Исследователи Института физики Тартуского университета показали, что микрокристаллы, синтезированные на основе смешанных оптических кристаллических матриц фторидов, легированных эрбием, празеодимом и некоторыми другими ионами редкоземельных элементов, могут работать как кубиты, обеспечивающие сверхбыстрые оптические квантовые вычисления.

«При выборе ионов большое значение имеют их электронные состояния с очень разными свойствами. Они должны иметь по крайней мере два состояния, в которых ионное взаимодействие очень слабое. Эти состояния подходят для основных квантово-логических операций с отдельными квантовыми битами. Кроме того, необходимо состояние или состояния, в которых ионное взаимодействие является сильным — они позволяют выполнять квантово-логические операции с двумя или более кубитами. Все эти состояния должны иметь длительное время жизни (милли- или микросекунды), и между этими состояниями должны быть разрешены оптические переходы», – профессор Владимир Хижняков, член Эстонской академии наук.

Ученые говорят, что до сих пор обнаружение таких электронных состояний редкоземельных ионов не считалось возможным, и поэтому ученые не искали среди них такие состояния, подходящие для кубитов. До сих пор в основном спиновые состояния атомных ядер изучались на роль кубитов. Однако их частота в миллион раз ниже, чем частота квантовых битов. Вот почему также квантовые компьютеры созданы на основе этих кубитов. И они будут значительно медленнее, чем компьютеры с квантовыми битами на основе электронных состояний.

Сверхбыстрый рабочий цикл позволит преодолеть одно из основных препятствий на пути создания квантовых компьютеров. Кубиты очень чувствительны к своему окружению, поэтому любое вмешательство окружающей среды может привести к ошибкам в квантовых вычислениях.

«Время когерентности кубитов, то есть продолжительность чистого квантового состояния, очень короткое. Чем быстрее цикл вычислений, тем меньше помех со стороны окружающей среды в работе кубитов», – профессор Владимир Хижняков, член Эстонской академии наук.

Установлено, что метод спектрального прожигания дырок, ранее разработанный в Институте физики Тартуского университета, может быть использован для выбора набора кубитов в микрокристалле, выступающем в качестве экземпляра компьютера. По словам Хижнякова, на сегодняшний день это один из самых мощных методов оптической спектроскопии, который позволяет находить в микрокристалле те ионы, которые наиболее подходят для использования в качестве компьютерных кубитов.

Хотя до реально работающего квантового компьютера еще далеко, но исследователи лаборатории лазерной спектроскопии Тартуского университета приступили к созданию пилотного прототипа квантового компьютера на основе нового метода. По словам исследователей, они находятся в преддверии презентации работы основных элементов квантового компьютера нового типа.