Ученым из США и Великобритании впервые удалось запутать между собой ионы различных изотопов кальция и ионы бериллия и магния, что открывает дорогу для создания сверхточных атомных часов и универсальных квантовых компьютеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
"Гибридные квантовые компьютеры будут пользоваться теми уникальными преимуществами, которыми сегодня обладают различные квантовые системы. К примеру, каждый тип иона обладает своим собственными свойствами – некоторые из них лучше годятся для хранения информации, а другие лучше подходят для передачи информации", - заявил Тин Тан (Ting Tan) из Национального института стандартов и технологий США в Боулдере.
Тан и его коллеги создали первый прототип кубитов – элементарных ячеек памяти и вычислительных модулей квантового компьютера – на базе двух различных ионов, экспериментируя с особой лазерной системой управления спином заряженных частиц.
Как обнаружили ученые, данный лазер, вместе с набором микроволновых излучателей и магнитом, способен "спутывать" и управлять состоянием спинов не только у одинаковых ионов, но и ионов совершенно различных веществ, обладающих кардинально различным набором протонов и нейтронов.
Используя это устройство, ученые "запутали" ионы магния (12 протонов и 13 нейтронов) и ионы бериллия (4 протона и 5 нейтронов), превратив их в первый гибридный кубит и использовав его для осуществления всех существующих логических операций.
Работа этого кубита стала возможной благодаря тому, что физики из США научились "подгонять" друг к другу и стабилизировать фазы лазерных лучей, при помощи которого ученые считывали и записывали данные в каждый из ионов кубита.
Подобные кубиты, как объясняет Тан, выгодно отличаются от своих обычных аналогов тем, что каждый их элемент "настроен" на работу только с лазерными импульсами определенного цвета, что позволяет объединять большое количество кубитов и работать с каждым из них, не нарушая состояние его "соседей". Это позволит, как надеются авторы статьи, создать в ближайшем будущем сверхчувствительные атомные часы и универсальные квантовые компьютеры.
Аналогичных результатов добились британские ученые, опубликовавшие статью в том же номере Nature. Они смогли "запутать" не ионы разных веществ, а ионы двух разных изотопов одного и того же вещества – кальций-40 и кальций-43. Первый из них лучше подходит на роль канала для передачи квантовой информации, а второй – является основой для самых надежных ячеек квантовой памяти.
Попутно ученые проверили справедливость краеугольного камня квантовой механики, неравенств Белла, в очередной раз доказав нелокальный и мгновенный характер квантовых взаимодействий, а также продемонстрировали, что подобные лазерные системы способны добиваться 99% точности в управлении состоянием кубита, что необходимо для создания полноценных вычислительных устройств.
Кубиты
Кубит является основным функциональным элементом квантовых компьютеров так же, как бит - обычных. Название "квантовые" такие вычислительные машины получили потому, что для работы они используют явления и эффекты квантовой механики на уровне алгоритмов и функциональных элементов. При этом вычисления носят не детерминированный, а вероятностный характер: типичный квантовый алгоритм дает решение какой-либо задачи с некоторой вероятностью. В некоторых задачах, например, биологического моделирования и теории чисел квантовые алгоритмы значительно быстрее своих классических аналогов.
В отличие от обычных битов, которые могут находиться в состоянии 0 и 1, такие объекты благодаря своей квантовой природе могут находиться одновременно в состоянии 0 и 1 с вероятностями p и 1 - p. Использование квантовых компьютеров позволяет в теории решать многие задачи значительно быстрее, чем на классических компьютерах.