Российские учёные приблизили создание кубитов-матрёшек

Учёные из Физико-технологического института РАН и МФТИ создали необычный элемент квантового компьютера — своего рода "суперкубит", который включает в себя несколько обычных кубитов (квантовых битов). Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.

Квантовые компьютеры — необычные системы для вычислений. Потенциально они могут решать множество задач, однако одно из их главных и проверенных на практике свойств — способность быстро взломать самые распространённые системы шифрования, используемую в распространённых браузерах. В теории ими можно моделировать процессы, слишком сложные для обычных компьютеров — взаимодействия между частицами и тому подобное. Считается, что это приведёт к созданию высокоэффективных солнечных батарей и новых лекарств.

Основой квантового компьютера, его "элементарной частицей" является кубит. Он, как и бит в обычном компьютере, допускает два собственных состояния (у бита это "ноль" и "единица"). Но, в отличие от него, кубит может быть в суперпозиции: его значения могут быть равны не нулю или единице, а паре комплексных чисел, лежащих между нулём и единицей. Если суперпозиции нет, то значение кубита равно не паре комплексных числе, а нулю или единице и тогда он автоматически теряет статус квантового бита, становясь обычным битом.

К сожалению, до решения описанных выше задач с помощью квантовых компьютеров на практике пока далеко. Чтобы квантовый компьютер имел реальное применение, он должен состоять из нескольких сотен, а то и тысяч кубитов. Однако связь между существующими кубитами пока предельно неустойчива: имеющиеся квантовые структуры сверхчувствительны к внешним помехам, в отличие от транзисторов классических компьютеров. Несколько кубитов взаимодействуют нормально, лишь если их охлаждать жидкими газами.

Чтобы решить проблему, научная группа Федичкина из МФТИ ранее показала, что в качестве кубита можно использовать частицу, "заблудившуюся в двух соснах". Роль "сосен" играют связанные квантовые точки. Так называют очень маленькие кусочки полупроводников, которые играют роль "ям" для электрона. Когда электрон попадает в одну из них, он задаёт базовое состояние кубита: |0⟩, если он в левой квантовой точке, и |1⟩, если в правой. При этом электрон с точки зрения работающего с кубитом оператора размазывается по ямам и занимает определённое положение, только если измерить его координаты. Это значит, что он находится в состоянии суперпозиции и пригоден для квантовых вычислений.

Теперь Алексей Мельников и Леонид Федичкин предложили запустить в кольцо из квантовых точек два электрона. Это создаст между ними квантовую сцеплённость и даст возможность получить сразу два связанных кудита. Кудитами называют кубиты-"матрёшки", имеющие свойства сразу нескольких кубитов. Квантовая сцепленность, или запутанность, достигается за счёт того, что одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Можно получить и больше связанных кудитов в том же объёме полупроводника, если запускать в него ещё больше электронов и создавать из квантовых точек более извилистые пути. Преимуществом такого способа является то, что квантовые блуждания частиц — это естественный процесс.

Однако и здесь есть свои сложности. Дело в том, что сцепленность частиц надо уметь отделять от так называемой ложной сцепленности. Она может возникать между невзаимодействующими электронами и делать работу системы некорректной. В этот раз учёные провели математические расчёты для двух случаев: когда взаимодействие есть и когда его нет. При этом они научились отличать истинную сцепленность от ложной. Физики рассмотрели, как меняется во времени вероятностная картина взаимодействия для двух связанных кудитов с тремя, четырьмя, пятью и шестью разрядами в каждом. Оказалось, что предложенная ими структура обладает относительной устойчивостью, а небольшой шум даже способствует созданию высокоразрядных компактных элементов (число разрядов равно числу кубитов, заложенных в кудит-матрёшку).

Работа российских учёных показывает довольно практичный способ реализации квантовых компьютеров без сложностей, неизбежных в чисто кубитовых схемах. Если на основе подобных кудитов удастся построить масштабные системы, решение ряда задач на суперкомпьютерах вместо тысяч лет будет занимать довольно умеренное время.