Створені квантові біти нового типу, керовані за допомогою резонансу "штучних атомів"
Дослідники з Інституту Нільса Бора (Niels Bohr Institute), спільно з їх колегами з США та Австралії, розробили метод управління станом квантових бітів, кубітів, що є основою областей квантових комунікацій і квантових обчислень. Управління станом і зчитування інформації, що міститься в кубите квантової інформації здійснюється за допомогою резонансу серії квантових точок, які ведуть себе подібно штучним атомів кристалічної гратки твердих матеріалів.
Нагадаємо нашим читачам, що в звичайних комп'ютерах інформація представляється у вигляді послідовності бітів, які можуть приймати значення 1 або 0. У квантових обчислювальних системах інформація міститься в квантових бітах, кубітах, які, крім значень 1 і 0, можуть перебувати в стані суперпозиції, володіючи значенням 1 і 0 одночасно. Завдяки цьому при збільшенні кількості бітів продуктивність квантових комп'ютерів зростає з експоненційної залежності по відношенню до продуктивності звичайних комп'ютерів. Але основна проблема, що спостерігається у світі квантових обчислень, полягає в тому, що неможливо прочитати або змінити квантову інформацію в кубите, не зруйнувавши її.
"Нам вдалося знайти новий спосіб управління електронами, який дозволяє змінювати їх квантовий стан без потреби його вимірювання або зчитування. Ми досягаємо цього, використовуючи відомі резонансні явища в галузі атомної фізики, які діють на рівні штучних квазиатомов" - пояснює професор Чарльз Маркус (Professor Charles Marcus), директор Центру квантових пристроїв в Інституті Нільса Бора в університеті Копенгагена.
Для того, щоб реалізувати резонансне управління квантовим станом вчені скомбінували на нанометровому рівні ефекти класичної фізики твердого тіла з резонансними явищами в галузі атомної фізики. В основі квантового пристрою лежить кристал з напівпровідникового матеріалу, арсеніду галію (GaAs), усередині якого можуть перемішатися електрони, які переносять квантову інформацію. Ця інформація закодована у вигляді напряму обертання, спина, цих електронів.
"Ми захоплюємо ці електрони в спеціальні коробки, кожна з яких являє собою складну квантову точку, поведінка якої відповідає поведінці атому. Тобто ця квантова точка, по суті, є штучним атомом. Кожна квантова точка здатна захопити один електрон, а три такі точки, розташовані в безпосередній близькості один від одного представляють собою квантовий біт, всередині якого кожен електрон починає "відчувати" електрони сусідніх квантових точок, вирівнюючи їх обертання при певних умовах", - розповідає професор Маркус.
Електричний сигнал, що подається ззовні, приводить до розгойдування "коробок" з квантових точок, змушуючи їх резонувати на певній частоті. Використовуючи електричні сигнали з різними параметрами можна отримати різну частоту резонансних коливань квантових точок, що змушує електрони, укладені в цих точках, прийняти певне квантове стан. "Комбінуючи три електрона потрійний квантової точки і змінне електричне поле певної частоти, нам вдалося чітко розділити суміжні енергетичні рівні системи, що, в свою чергу, дозволило керувати напрямком обертання електронів без необхідності його вимірювання" - розповідає Чарльз Маркус.
В даний момент часу вчені тільки розробили і випробували нову методику управління квантовими станами окремих кубітів. Наступним їх кроком стане реалізація управління не тільки одним кубитом, що складається з трьох квантових точок, а цілої послідовністю кубітів, що дозволить цим кубитам обмінюватися інформацією між собою. А це, як можна зрозуміти, вже є многобитным квантовим комп'ютером, здатним вирішувати певні завдання.