Ученые на один шаг ближе к полностью функционирующий квантовый компьютер

Квантовые вычисления имеют потенциал революционизировать технологии, медицины и науки, предоставляя быстрее и более производительные процессоры, датчики и устройства связи.

Но передачи информации и исправления ошибок в квантовых систем все еще остается проблемой для принятия эффективных квантовых компьютеров.

В статье в журнале Nature, исследователи из Университета Пердью и Университета Рочестера, в том числе Джон Николл, доцент кафедры физики, и Рочестер аспирантов Шахова П. Кандель и Хайфэн Цяо, демонстрируют свой метод передачи информации путем передачи состояния электронов. Исследование приближает ученых на один шаг ближе к созданию полностью функциональных квантовых компьютеров и является последним примером того, как инициатива Рочестера, чтобы лучше понять квантовое поведение и разрабатывать новые квантовых систем. Университет недавно получил грант в размере $4 млн от Министерства энергетики для изучения квантовых материалов.

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

Квантовый компьютер работает на принципах квантовой механики, уникальный набор правил, которые регулируют в крайне малых масштабах атомов и субатомных частиц. При работе с частицами в этих масштабах, многие из правил, которые регулируют классической физики уже не действуют и квантовые эффекты возникают; квантовый компьютер может выполнять сложные вычисления, фактор чрезвычайно большом количестве, и смоделировать поведение атомов и частиц на уровнях, что классические компьютеры не могут.

Квантовые компьютеры имеют потенциал, чтобы глубже понять принципы физики и химии, имитируя поведение материи в необычных условиях на молекулярном уровне. Эти модели могут быть полезными в разработке новых источников энергии и изучение условий планет и галактик или сравнивая соединений, которые могли бы привести к новым методам лечения наркомании.

«Ты и я-квантовых систем. Частицы в нашем теле подчиняются квантовой физики. Но, если вы пытаетесь вычислить, что произойдет со всеми атомами в нашем организме, нельзя делать это на обычном компьютере», — говорит Никол. «Квантовый компьютер мог бы легко сделать это.»

Квантовые компьютеры также может открыть двери для более быстрого поиска по базе данных и криптографии.

«Получается, что почти вся современная криптография основана на сложности для обычных компьютеров фактором большом количестве», — говорит Никол. «Квантовые компьютеры могут легко фактор больших чисел и сломать схемы шифрования, так что вы можете представить, почему многие правительства заинтересованы в этом».

БИТЫ ПРОТИВ. Кубиты

Обычный компьютер состоит из миллиардов транзисторов, называемых битами. Квантовые компьютеры, с другой стороны, основанные на квантовых битов, также известный как кубиты, которые могут быть сделаны из одного электрона. В отличие от обычных транзисторов, который может быть либо «0» или «1,» кубиты могут быть как «0» и «1» одновременно. Возможность для отдельных кубитов, чтобы занять эти «государства суперпозиции,» где они находятся одновременно в нескольких состояниях, лежит огромный потенциал квантовых компьютеров. Однако так же, как обычные компьютеры, квантовые компьютеры должны иметь способ передачи информации между кубитами, и это представляет собой серьезную экспериментальную задачу.

«Квантовый компьютер должен иметь много кубитов, и они очень трудно сделать и работы», — говорит Никол. «Государство-оф-арт прямо сейчас делает что-то только с несколько кубитов, так что мы еще далеки от полной реализации потенциала квантовых компьютеров.»

Все компьютеры, включая как регулярные, так и квантовых компьютеров и устройств, таких как смарт-телефонов, также для выполнения коррекции ошибок. Обычный компьютер содержит копии битов, так что если один из битов идет плохо», остальные просто будут принимать большинством голосов» и исправить ошибку. Тем не менее, квантовые биты не могут быть скопированы, говорит Николь, «так что вы должны быть умными о том, как вам исправить ошибки. Что мы здесь делаем один шаг в этом направлении».

МАНИПУЛИРУЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Квантовая коррекция ошибок требует, чтобы отдельные кубиты взаимодействовать со многими другими кубитами. Это может быть трудно, потому что отдельного электрона, как стержневой магнит с Северным полюсом и Южным полюсами, что может указывать либо вверх, либо вниз. Направление на полюс — Северный полюс направлен вверх или вниз, например, известен как магнитный момент электрона или квантового состояния.

Если определенные типы частиц имеют одинаковый магнитный момент, они не могут быть в одном месте и в одно время. То есть два электрона в одном квантовом состоянии не может сидеть на верхней части друг друга.

«Это одна из главных причин что-то вроде копейки, который сделан из металла, не свернуть на себя», — говорит Никол. «Электроны толкают друг друга, потому что они не могут быть в одном месте и в одно время.»

Если два электрона находятся в противоположных состояниях, они могут сидеть на верхней части друг друга. Удивительно следствием этого является то, что если электроны расположены достаточно близко, их государств поменяются вперед и назад во времени.

«Если у вас есть один электрон, что и другой электрон, который и сдвинуть на нужное количество времени, и они поменяются», — говорит Никол. «Они не меняются местами, но их государств перешли.»

В силу этого явления Никол и его коллеги охладили полупроводникового кристалла до очень низких температур. Используя квантовые точки-наноразмерные полупроводники — они в ловушке четырех электронов подряд, затем перемещаются электроны, чтобы они вступали в контакт и их государств перешли.

«Есть простой способ переключения между двумя соседними электронами, но делать это на большие расстояния, в нашем случае, это четыре электрона требует много контроля и технического мастерства», — говорит Никол. «Наше исследование показывает, что это сейчас является жизнеспособным подходом для передачи информации на большие расстояния.»

ПЕРВЫЙ ШАГ

Передавая состояние электрона туда и обратно через массив кубитов, без перемещения позиций электронов, обеспечивает поразительный пример возможностей, предусмотренных квантовой физики информатики.

«Этот эксперимент показывает, что информация в квантовых состояний может быть переведен без фактической передачи отдельных спинов электронов по цепочке», — говорит Майкл Manfra, профессор физики и астрономии в Университете Пердью. «Это важный шаг, показывающий, как информация может передаваться квантово-механически-в манеры совсем иные, чем наша классическая интуиция приведет нас к мысли».

Никол уподобляет это шаги, которые вели от первых вычислительных устройств до современных компьютеров. Что сказал, Мы все когда-нибудь квантовые компьютеры для замены настольных компьютеров? «Если бы вы задали этот вопрос IBM в 1960-х годах, они, наверно, сказал бы нет, нет никакого способа, что это произойдет», — говорит Никол. «Теперь это моя реакция. Но, кто знает?»

сделать разницу: спонсорские возможности