Ученые сделали новый шаг в разработке квантовых компьютеров и памяти

На сегодняшний день квантовые компьютеры - это скромные по возможностям устройства, наивысшим достижением которых является нахождение множителей числа 15. Однако их вычислительная мощность будет расти экспоненциально с увеличением размеров.

В двух публикациях прошедшего месяца были заложены основы методов хранения информации на квантовом уровне и осуществления сложных вычислений с помощью квантовых устройств - в том числе требующих для их проведения сотен тысяч потенциальных квантовых бит (кубит, qubit). Для создания квантового компьютера необходимо решение обеих задач, и обе они требуют для своего решения привлечения не только специалистов-теоретиков, но и инженеров.

В одной из описанных систем используется новое состояние вещества, получившее название "изолятор Мотта" (Mott insulator), или так называемая "упорядоченная жидкость" (patterned liquid). В другой рассматриваются методы, позволяющие останавливать, хранить и восстанавливать импульсы света.

На этой неделе группа физиков из мюнхенского института квантовой оптики им. Макса Планка и цюрихского института квантовой электроники опубликовали в журнале Nature статью, в которой описывалось охлаждение и помещение газа, состоящего из атомов рубидия, в каркас упорядоченной решетки. Каждая ячейка такой решетки может быть заполнена только одним атомом, которым можно индивидуально манипулировать с помощью прецизионных магнитных импульсов.

"Новое состояние материи можно представить себе в виде заполненной картонной упаковки для яиц", - говорит Иммануил Блох (Immanuel Bloch) из института им. Макса Планка - "В нашем случае яйцами являются отдельные атомы, а картонка образуется упорядоченной световой структурой - световым кристаллом".

Взаимопересекающиеся лазерные лучи образуют кристаллоподобную структуру, определяющую границы пространства, в которых могут быть заключены отдельные атомы - как упаковка для переноски яиц. Сверхнизкие температуры (менее одной стомиллионной градуса абсолютной температуры) позволяют хранить атомы в пределах ячеек.

"Фазовое состояние "изолятора Мотта" по своей природе рассматривает каждый атом как индивидуальный объект", - поясняет Хенк Стуф из Утрехтского университета (Нидерланды). - "Они не взаимодействуют друг с другом. Следовательно, и бороться с этим взаимодействием не требуется".

Г-н Блох с сотрудниками смогли организовать упорядоченную структуру, состоящую примерно из 150.000 атомов рубидия. Каждый атом представляет собой миниатюрный магнит, который может указывать направление "вверх" (1), либо "вниз" (0) - либо, в случае кубита, иметь необычные переходные квантовые состояния, в которых он направлен в двух взаимопротивоположных направлениях одновременно.

Поскольку каждый атом располагается отдельно и его состояние стабильно во времени, он может представлять собой шаг квантового алгоритма - для выполнения которого не потребуются свободные атомы, электроны либо фотоны, выбивающие атом из его стабильного состояния.

Сложной задачей является разработка квантовых логических элементов, которые позволили бы осуществлять с помощью кубитов математические вычисления. Затем необходимо будет разработать методику, которая позволила бы считывать результаты вычислений после их выполнения.

Исследовательская группа Блоха имеет ряд идей по решению обеих задач с помощью импульсов, аналогичных используемых в машинах NMR, однако эта работа еще далека от завершения.

Пока г-н Блох и другие исследователи в разных странах предлагают "изоляторы Мотта" в качестве основы для создания квантовых компьютерных процессоров, другая группа бьется над созданием квантовой компьютерной памяти - ОЗУ.

"Квантовые компьютеры не могут работать без средств хранения информации того или иного рода", - говорит Филипп Хеммер из компании Texas A&M, - "Все трудятся над созданием процессоров, а проблему создания памяти решают считанные единицы".

Помимо спиновых систем наподобие "изолятора Мотта", квантовая информация может также храниться и в виде отдельных фотонов. В самом деле, такие приложения, как квантовая криптография, используют фотоны в качестве носителей информации. Хранение световых импульсов в определенном месте одновременно удобно и принципиально важно для предполагаемых квантовых компьютеров. Г-н Хеммер и его сотрудники развили работу группы исследователей из Гарварда, в которой лазерные импульсы пропускались через среду, которая из прозрачной становилась непрозрачной под действием излучения другого лазера. Этот трюк позволил снизить скорость прохождения импульсом света среды буквально до черепашьей. В некоторых случаях свет оставался на месте, ожидая возобновления подходящих условий для продолжения своего пути.

Гарвардские исследователи и их последователи использовали методику остановки света в газовой среде; г-н Хеммер с сотрудниками стал первым, кто осуществил остановку света в твердом веществе - кристалле силиката иттрия, обогащенном атомами редкоземельного элемента празеодима. Поскольку большинство электронных компонентов представляют собой твердотельные устройства, этот метод может быть непосредственно использован при создании квантовых устройств хранения информации.

Никто не может гарантировать безопасного прохождения информации через процессы записи и считывания.

В любом случае квантовая гонка только начинается.