Что такое кубит и почему он так важен?
В традиционных компьютерах информация хранится и обрабатывается в виде битов, которые могут быть либо 0, либо 1. Эти компьютеры работают по бинарному принципу. Квантовые компьютеры, в свою очередь, используют кубиты. Кубит, согласно законам квантовой физики, может находиться в состоянии суперпозиции, то есть одновременно быть и 0, и 1. Эта способность находиться в нескольких состояниях одновременно позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления гораздо быстрее, чем их классические аналоги, особенно для сложных задач, таких как моделирование молекул или решение некоторых типов задач оптимизации.
Однако управление этими кубитами — задача не из легких. Они крайне чувствительны к внешним воздействиям, что делает их сложными для манипулирования и поддержания в стабильном состоянии. Это стало одной из главных проблем для исследователей в области квантовой информатики: добиться точного управления несколькими кубитами одновременно.
В этом контексте группа ученых из Технологического университета Делфта (TU Delft) в Нидерландах недавно добилась впечатляющего успеха. Исследователи сумели контролировать систему из четырех кубитов, используя квантовые точки. Квантовые точки — это крошечные полупроводниковые устройства, в которых заключены кубиты. Благодаря достижениям в области методов измерения и управления, команда продемонстрировала, что теперь возможно с высокой точностью манипулировать этими кубитами, что является важным шагом вперед в этой области.
Ливен Вандерсипен, главный автор исследования, объяснил, что в ходе этого нового исследования команда сначала пыталась отрегулировать взаимодействия между кубитами, в частности обмен спинами (внутренними движениями субатомных частиц) в сети квантовых точек. Для этого они использовали импульсы напряжения, чтобы контролировать взаимодействия между спинами каждого кубита. Этот метод позволил команде не только контролировать кубиты индивидуально, но и выполнять операции с несколькими кубитами одновременно, создавая квантовые ворота, которые обмениваются информацией между двумя кубитами одновременно.
Почему это открытие так важно?
До этого открытия исследователи смогли контролировать лишь квантовые системы, состоящие из двух кубитов. Команда из Технологического университета Делфта стала первой, кто показал, что возможно контролировать систему из четырех кубитов с достаточной точностью для выполнения надежных квантовых операций. Это достижение имеет большое значение, поскольку с увеличением числа кубитов система становится все более сложной. Контроль над большим количеством кубитов необходим для того, чтобы квантовые компьютеры могли выполнять действительно мощные вычисления.
Каждый кубит этой системы состоит из двух спинов, и их манипуляция осуществляется с помощью точных импульсов напряжения. Этот контроль над каждым кубитом открывает новые возможности для масштабирования квантовых компьютеров, позволяя выполнять более большие и быстрые вычисления. Новый метод обещает быть многообещающим, поскольку он позволяет не только контролировать изолированные кубиты, но и осуществлять сложные взаимодействия между кубитами в сети.
Будущее воздействия этого открытия
Возможность контролировать несколько кубитов одновременно — это не просто технологическое достижение; оно открывает многочисленные потенциальные применения в различных областях. Например, исследователи в области химии и биологии могут использовать квантовые компьютеры для моделирования сложных молекул, что может революционизировать разработку новых лекарств и материалов. В области искусственного интеллекта могут быть разработаны более мощные квантовые алгоритмы для обработки данных значительно быстрее и эффективнее, чем это возможно сегодня.
Кроме того, это открытие может позволить моделировать сложные физические явления, такие как магнетизм или физику материалов на атомном уровне. Моделируя эти явления с большей точностью, ученые смогут лучше понять фундаментальные природные процессы и даже разработать новые технологии в таких областях, как батареи нового поколения или оптимизация энергетических сетей.
Дорога, полная препятствий
Несмотря на то, что это является важным шагом вперед, предстоит еще многое сделать, прежде чем квантовая информатика станет полноценной и доступной реальностью. Например, необходимо улучшить точность операций с двумя кубитами (тех, которые обмениваются информацией между двумя различными кубитами) и разработать методы управления квантовыми ошибками. Одним из следующих ключевых этапов будет демонстрация того, что эти квантовые ворота с двумя кубитами также могут быть реализованы с точностью выше 99 %, что обеспечит более надежные и долговечные вычисления.