Квантовые шумы превратили в кубит

Квантовые шумы превратили в кубит

Когда компьютерная программа устанавливает определенное значение бита одной из ячеек памяти, нет необходимости контролировать и подтверждать устанавливаемое значение, в современных компьютерах и так реализовано множество технологий, позволяющих гарантировать достоверность записываемых в память данных. Однако эта проблема гораздо более сложна в случае квантовых компьютеров, любые взаимодействия квантового бита (кубита) с окружающей средой могут изменить значение данных, хранимых в этом кубите. В результате воздействия различного рода помех и шумов, в том числе и тепловой природы, у большинства созданных до последнего времени кубитов время достоверного хранения информации чрезвычайно коротко, в пределах нескольких микросекунд или миллисекунд.



Недавно, группа исследователей из Технологического университета Дельфта и университета Айовы выяснила способ, благодаря которому источник шума превращается в то, что способно оказать поддержку кубиту квантовой памяти, существенно увеличивая время хранения информации. Этими источниками шумов являются отдельно взятые атомы вещества, окружающие собственной квантовый бит. Специальное воздействие, направленное на кубит и на окружающие его атомы позволило записать во все элементы одинаковое квантовое значение, и квантовая информация, записанная в атомах, послужила для стабилизации значения, хранимого в самом кубите, выступая в коли «аппаратного корректора ошибок».



Научная группа использовала одну из довольно распространенных форм кубитов — азотную вакансию в кристаллической решетке алмаза. Этот дефект возникает тогда, когда в одном из узлов кристаллической решетки находится не атом углерода, а атом азота, способный образовать не четыре, а три ковалентных связи. Оставшийся свободным электрон, точнее значение его спина, представляет собой квантовый бит, позволяющий записывать в него и считывать из него информацию при помощи лазерного света с определенной длиной волны.



Так как электроны чрезвычайно малы и легки, достаточно небольшое внешнее воздействие может изменить их момент вращения, что делает электроны не очень подходящим выбором для реализации устройств длительного хранения квантовой информации. К счастью для ученых, в пределах азотного квантового бита можно синхронизировать вращение электрона с вращением ядра атома азота. Вращения более тяжелого ядра более стабильно и оно вполне может использоваться для длительного хранения данных.



Но и вращение ядра атома азот также подвержено влиянию извне. И главным источником этого влияния является вращение близлежащих ядер атомов углерода. За некоторое время это влияние может сдвинуть направление вращения ядра азота совершенно в случайную сторону, что приводит к утере квантовой информации. Для преодоления внешнего влияния, так называемого эффекта квантовой декогеренции, ученые устроили из одной азотной вакансии не один, а сразу три квантовых бита, одним из которых было ядро атома азота, а два остальных представляли собой ядра близлежащих атомов углерода. Записав при помощи импульсов лазерного света в три квантовых бита одну и туже информацию, ученые добились снижения уровня декогеренции, помимо этого стало возможным реализовать достаточно распространенный алгоритм коррекции ошибок, который называется «два из трех».



К сожалению, такой подход не стал кардинальным решением для коррекции ошибок из-за проблем с установкой спинов всех ядер в одно определенное значение. Получилось так, что одновременная установка значений трех квантовых битов не всегда обеспечивала требуемого, поэтому исследователям пришлось реализовать последовательную установку значений одного азотного и двух углеродных квантовых битов. Это существенно увеличило время записи информации в такую квантовую память, которая обеспечила выполнение около 300 операций за 1.8 миллисекунды. Естественно, что при таком быстродействии не идет никакой речи о практическом применении таких квантовых битов в квантовых компьютерах.



Но ученые не намерены сдаваться, они уже разработали ряд мер, которые позволят им значительно ускорить операции записи данных в трех-кубитовые ячейки памяти. И первой такой мерой будет понижение температуры окружающей среды от комнатной, при которой проводились первые эксперименты, до криогенной, до температуры, при которой все квантовые эффекты проявляются более явно.

11:36
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...