Вчені перетворили джерело квантових шумів в кубіт, здатний самостійно виправити помилки даних
Коли комп'ютерна програма встановлює певне значення біта однієї з комірок пам'яті, немає необхідності контролювати і підтверджувати встановлюється значення, в сучасних комп'ютерах і так реалізовано безліч технологій, що дозволяють гарантувати достовірність записуються в пам'ять даних. Однак ця проблема набагато складніша у разі квантових комп'ютерів, будь-які взаємодії квантового біта (кубіта) з навколишнім середовищем можуть змінити значення даних, що зберігаються в цьому кубите. В результаті дії різного роду перешкод і шумів, в тому числі і теплової природи, у більшості створених до останнього часу кубітів час достовірного зберігання інформації надзвичайно коротко, в межах декількох мікросекунд або мілісекунд.
Нещодавно, група дослідників з Технологічного університету Дельфта і університету Айови з'ясувала спосіб, завдяки якому джерело шуму перетворюється в те, що здатне надати підтримку кубиту квантової пам'яті, істотно збільшуючи час зберігання інформації. Цими джерелами шумів є окремо взяті атоми речовини, що оточують власної квантовий біт. Спеціальне вплив, спрямований на кубіт і на навколишні його атоми дозволило записати всі елементи однакову квантове значення, і квантова інформація, записана в атомах, послужила для стабілізації значення, закладеного в самому кубите, виступаючи в колі "апаратного коректора помилок".
Наукова група використовувала одну з досить поширених форм кубітів - азотну вакансію в кристалічній решітці алмазу. Цей дефект виникає тоді, коли в одному з вузлів кристалічної решітки не знаходиться атом вуглецю, а атом азоту, здатний утворити не чотири, а три ковалентних зв'язки. Залишився вільним електрон, точніше значення його спина, являє собою квантовий біт, що дозволяє записувати в нього і зчитувати з нього інформацію за допомогою лазерного світла з певною довжиною хвилі.
Так як електрони надзвичайно малі і легкі, досить невелика зовнішній вплив може змінити їх момент обертання, що робить електрони не дуже підходящим вибором для реалізації пристроїв тривалого зберігання квантової інформації. На щастя для вчених, в межах азотного квантового біта можна синхронізувати обертання електрона з обертанням ядра атома азоту. Обертання більш важкого ядра більш стабільно і воно цілком може використовуватися для тривалого зберігання даних.
Але і обертання ядра атома азот також піддається впливу ззовні. І головним джерелом цього впливу є обертання прилеглих ядер атомів вуглецю. За деякий час цей вплив може зрушити напрямок обертання ядра азоту абсолютно випадкову сторону, що призводить до втрати квантової інформації. Для подолання зовнішнього впливу, так званого ефекту квантової декогеренции, вчені влаштували з однієї азотної вакансії не один, а відразу три квантових бітів, одним з яких було ядро атома азоту, а два інших представляли собою ядра сусідніх атомів вуглецю. Записавши за допомогою імпульсів лазерного світла в три квантового біта одну й ту ж саму інформацію, вчені домоглися зниження рівня декогеренции, крім цього стало можливим реалізувати досить поширений алгоритм корекції помилок, який називається "два з трьох".
На жаль, такий підхід не став кардинальним рішенням для корекції помилок із-за проблем з установкою спінів всіх ядер в одне певне значення. Вийшло так, що одночасна установка значень трьох квантових бітів не завжди забезпечувала необхідного, тому дослідникам довелося реалізувати послідовну установку значень одного азотного і двох вуглецевих квантових бітів. Це суттєво збільшило час запису інформації в таку квантову пам'ять, яка забезпечила виконання близько 300 операцій за 1.8 мілісекунди. Природно, що при такому швидкодії не йде ніякої мови про практичне застосування таких квантових бітів у квантових комп'ютерах.
Але вчені не мають наміру здаватися, вони вже розробили низку заходів, які дозволять значно прискорити операції запису даних у трьох-кубитовые комірки пам'яті. І першою такою мірою буде зниження температури навколишнього середовища від кімнатної, при якій проводилися перші експерименти, до кріогенної, до температури, при якій всі квантові ефекти проявляються більш явно.