Представлен первый пример применения квантовых блужданий, связанных с более чем одним электроном, для осуществления квантовых вычислений.
Учёные из Физико-технологического института РАН и МФТИ запустили в систему из квантовых точек два электрона и получили элемент квантового компьютера высокой размерности (более высокой, чем кубит). В работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, впервые показано, как использовать квантовые блуждания более чем одного электрона для реализации квантовых вычислений.
«Рассмотрев взаимодействие двух электронов, мы решили вопросы, возникающие при изучении одинаковых взаимодействующих частиц, и открыли путь к созданию компактных квантовых структур с высокой плотностью», — пояснил Леонид Федичкин, эксперт РАН, заместитель директора по научной работе НИКС, доцент кафедры теоретической физики МФТИ.
Квантовый компьютер может взломать наиболее распространенные алгоритмы шифрования всего за несколько часов систему шифрования, эта технология уже применяется, в том числе, в вашем браузере. К числу полезных задач, которые может решать квантовый компьютер, относится моделирование молекул с учётом всех взаимодействий между их составляющими. Это позволит создавать, например, более эффективные солнечные батареи и новые лекарства. Для практического применения квантовому компьютеру потребуется несколько сотен, а возможно, и тысяч кубитов. Именно на этом этапе возникают сложности.
Создание стабильной связи между кубитами стало серьезной проблемой для развития квантовых вычислений. Квантовые системы крайне восприимчивы к внешним воздействиям, в отличие от классических. Для поддержания квантовых структур и предотвращения потери информации их необходимо охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, используя жидкий азот или гелий. Однако, разработка технологий для создания отдельных кубитов активно ведется и предлагает множество различных подходов. Ранее научная группа Федичкина показала, в качестве кубита возможно использование частицы, находящейся в состоянии неопределённости между двумя связанными квантовыми точками. Эти связанные квантовые точки выступают в роли «сосен» и представляют собой крошечные полупроводниковые структуры, которые с энергетической точки зрения функционируют как ямы для электрона. Таким образом, положение электрона в левой или правой яме определяет базовые состояния кубита: |0⟩ или |1⟩ соответственно. Электрон распределяется между ямами и занимает конкретное положение лишь при измерении его координат. Другими словами, он находится в состоянии суперпозиции.
Связанные кубиты образуют единую систему, состояние которой нельзя разделить на отдельные состояния каждого кубита. Например, система, состоящая из трех кубитов, обладает восемью возможными базовыми состояниями и представляет собой их суперпозицию: A|000⟩+Б|001⟩+В|010⟩+Г|100⟩+Д|011⟩+Е|101⟩+Ж|110⟩+З|111⟩. Воздействие на такую систему приводит к изменению всех восьми коэффициентов, в то время как при воздействии на систему из обычных битов изменяется каждый бит по отдельности. Таким образом, память, состоящая из n битов, включает n переменных, а n кубитов — 2n переменных. Кудиты обеспечивают еще более значительное преимущество: память из n кудитов с разрядом 4, или куквадритов, позволяет записать 4n, то есть 2n×2n переменных. В результате, объем памяти десяти куквадритов превышает объем памяти десяти битов примерно в 100 000 раз, и с увеличением n это число экспоненциально возрастает.
Алексей Мельников и Леонид Федичкин предложили метод создания квантовой сцепленности, основанный на одновременном запуске двух электронов в кольцо из квантовых точек. Это позволит сформировать сразу два связанных кудита. Квантовая сцепленность, также известная как запутанность, возникает из-за того, что частицы с одинаковым зарядом взаимодействуют посредством отталкивания. Увеличение числа связанных кудитов в заданном объеме полупроводника возможно за счет одновременного запуска большего числа электронов и создания более сложных траекторий для квантовых точек. Ключевым преимуществом такого подхода является то, что квантовые блуждания электронов представляют собой естественный физический процесс. Однако наличие соседних электронов с одинаковым зарядом в одной структуре порождает дополнительные трудности, которые ранее не были успешно решены.
Сцепленность частиц играет ключевую роль в обеспечении эффективной квантовой обработки информации. Однако, наличие одинаковых частиц усложняет ситуацию, поскольку между невзаимодействующими электронами может возникать иллюзорная сцепленность. Для разделения истинной сцепленности от ложной, исследователи провели математическое моделирование в двух сценариях: с учётом взаимодействия и без него. Было проанализировано изменение во времени вероятностного распределения для различных количеств точек: 6, 8, 10 и 12, что соответствует двум связанным кубитам с тремя, четырьмя, пятью и шестью разрядами соответственно. Полученные результаты показали, что разработанная структура характеризуется значительной устойчивостью, а небольшой уровень шума может даже способствовать формированию высокоразрядных и компактных элементов.
Об универсальном квантовом компьютере мечтают уже давно, но до сих пор не получается связать достаточно большое число кубитов. Работа российских учёных приблизила тот день, когда вычисления на квантовом компьютере станут обычным делом. Хоть и существуют такие алгоритмы, которые принципиально невозможно ускорить с помощью квантовых вычислений, в определённых задачах создание многокубитной (или кудитной) машины позволит сэкономить несколько тысяч лет.