Но сначала, что такое квантовый компьютер? «Квантовый компьютер» — это компьютер, который использует принципы квантовой физики для выполнения своих вычислений. Что не намного продвинет нас вперед, если мы не определим несколько лучше, что такое последнее!
Квантовая физика занимается изучением поведения материи и света на микроскопическом, или атомном, уровне. Ученые обнаружили, что в таких масштабах она ведет себя совершенно нелогично по сравнению с ранее известной физикой. При изучении этого поведения возникли новые физические принципы, которые изучаются и сегодня.
Знаменитый принцип «суперпозиции» имеет решающее значение для работы квантовых компьютеров. Классический компьютер работает на основе «битов», которые являются самой основной единицей информации. Бит может быть либо 0, либо 1, и именно на этих 0 и 1 основаны все более сложные компьютерные коды. В квантовом компьютере используются «кубиты». Они могут быть как 0, так и 1, находиться в состоянии суперпозиции.
Суперпозиция позволяет квантовым алгоритмам использовать другие квантовые явления, такие как квантовая запутанность. Это предполагает запутывание кубитов таким образом, что они образуют единую систему. Тогда, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга, можно будет узнать состояние одного кубита, измерив состояние другого, запутанного с ним. Этот принцип необходим для всех квантовых вычислений. Интерес квантового компьютера заключается в огромной вычислительной мощности, которую он может развернуть.
Атомы, захваченные лазерами
Итак, что же представляют собой эти «кубиты» в конкретном смысле? Это атомы, которые «организованы» различными способами так, что они взаимодействуют друг с другом и помещаются в квантовые состояния, необходимые компьютеру. Используются различные типы атомов и различные системы. Например, существуют «магнитные ловушки» для положительных ионов или сверхпроводники. В этом исследовании ученые решили использовать так называемые «нейтральные атомы», то есть атомы, не имеющие электрического заряда, ни положительного, ни отрицательного.
Без заряда нет необходимости в электромагнитной ловушке для удержания атомов в нужной конфигурации. Вместо этого ученые использовали «ловушку» на основе лазеров. Концентрация лазеров «притягивает» атомы, позволяя им организовываться, в данном случае в своеобразную «решетку». Это также позволяет охлаждать их.
По мнению ученых, использование этих нейтральных атомов в квантовом компьютере может быть полезным по нескольким причинам. Они имеют одинаковые характеристики, поэтому проще использовать большее их количество. Они имеют большое время когерентности (время, в течение которого можно поддерживать квантовую суперпозицию), и их можно «поймать в ловушку» в нескольких измерениях. Наконец, они очень хорошо запутываются. Поэтому эти атомы являются очень хорошими кандидатами для квантовых компьютеров.
Ученые также объясняют, что можно стимулировать атомы, чтобы реорганизовать их по своему усмотрению, что позволяет использовать их в различных целях. Именно в этом смысле они утверждают, что создали «программируемый» квантовый компьютер, поскольку он не предназначен для одноразового использования.
Увеличение времени работы в 500 раз
Новшество, которое следует выделить в эксперименте, представленном учеными, — это время работы компьютера. Очень сложно поддерживать состояние квантовой суперпозиции в течение длительного времени. «Квантовые биты (кубиты) хрупки и разрушаются, если они не изолированы от окружающего шума, но должны взаимодействовать с другими кубитами для выполнения вычислений«, — поясняется в исследовании.
Однако команде удалось заставить компьютер работать более 600 мкс, что в 500 раз дольше, чем предыдущие попытки создать суперпозиционное состояние с помощью нейтральных атомов. Еще один удивительный факт заключается в том, что им удалось провести настоящий химический расчет. Среди прочего, ученые утверждают, что им удалось определить энергию молекулы водорода.
Конечно, представленные эксперименты еще далеки от создания действительно функционального квантового компьютера, но «они представляют собой важный шаг на пути к разработке процессоров на основе кубитов нейтральных атомов«, — говорят ученые.
По их мнению, для совершенствования процесса потребуются технологические усовершенствования лазеров, включая «улучшенное лазерное охлаждение для достижения основного состояния движения атомов, пространственное формирование оптических управляющих лучей для уменьшения ошибок затвора, оптимизацию параметров оптической ловушки для улучшения локализации и когерентности, а также более высокую мощность лазера для уменьшения рассеяния от промежуточного состояния».
Однако эта команда не единственная, кто претендует на исследование нейтральных атомов в квантовых компьютерах. Область квантовых компьютеров является предметом огромной конкуренции. «Во время завершения этого исследования нам стало известно о связанной работе, которая демонстрирует кодирование логических кубитов с помощью архитектуры комплементарных нейтральных атомов«, — уточняют ученые.