Масівы Atom з'яўляюцца кандыдатам-сюрпрызам для квантавых вылічэнняў

Чакаецца, што доўгачаканы наступны прарыў у вылічэнні з так званых квантавых кампутараў, якія будуць выкарыстоўваць квантавыя з'явы, каб прывесці да больш хуткай апрацоўкі і радыкальна палепшанага захоўвання дадзеных. Цяпер выпускнік фізычнага факультэту Гавардзкага ўнівэрсытэту сабраў выдатную і унікальную сыстэму, якая можа прывесьці да прарыву, якога чакаюць квантовыя вылічэнні.

Самае незвычайнае ў сістэме, якую Гары Левін і яго каманда на чале з Міхаілам Лукіным стварылі ў сваёй маленькай падвальнай лабараторыі ва ўніверсітэце, гэта тое, што тут няма ніякіх працэсарных чыпаў. Кампутар Левіна працуе на аснове 51 атама рубідыя, які захоўваецца ў шкляной клетцы. Гэтыя атамы выстраіліся ў адзін файл лазерным расколам на 51 прамень.

Атамы запавольваюцца, пакуль практычна не рухаюцца далейшыя лазеры, у той час як іншы набор лазераў дазваляе карыстачу заахвочваць атамы да ўзаемадзеяння. Менавіта з гэтых узаемадзеянняў можна вырабіць разлікі.

Эксперыментальная ўстаноўка, якую выкарыстоўвалі Левін і яго каманда з Гарварда (Levine, Keesling, Omran)

Перавагай, якую дае квантавы камп'ютэр, з'яўляецца магчымасць квантовай сістэмы знаходзіцца ў суперпазіцыі станаў. Гэта азначае, што ў той час як звычайны "біт" можа мець толькі два магчымых стану-0, альбо 1-кубіт можа кадаваць адна і нулі адначасова ў суперпазіцыі станаў.

Калі маштабаваць, гэтая налада павінна значна пераўзыходзіць традыцыйныя кампутары.

Нават такая праграма - сярод квантовых кампутараў. Большасць кубітаў, якія былі даследаваны дагэтуль, былі пабудаваны на крамянёвым, звышправадным і паўправадніковых структурах, вядомых як квантавыя кропкі. Гэтая праца абапіраецца на апошнія даследаванні з выкарыстаннем нейтральных атамаў для фарміравання кубітаў.

Раней лічылася, што нейтральныя атамы дрэнна выбіраюць кубіты з-за адсутнасці электрычнага зарада, і таму яны лёгка не ўзаемадзейнічаюць з іншымі атамамі. Фізікі могуць пераадолець гэтую цяжкасць, выкарыстоўваючы спецыяльна прымеркаваныя лазерныя выбухі, каб узбудзіць крайні электрон атома і перанесці яго з атамнага ядра, у тое, што называюць "станам Рыдберга". Гэта абумоўлівае масавае павелічэнне памеру атама.

В. Алтуан (навука)

У гэтым стане Рыдберга атам паводзіць сябе больш як іён, атам з пазбаўленым ад яго электронамі, гэта значыць, што яны больш актыўна ўзаемадзейнічаюць з суседнімі атамамі. Узаемадзеянне аказвае агульны эфект прадухілення самакіравання гэтых суседніх атамаў у стане Рыдберга.

Гэта надае атаманым стане атама, стан, неабходны для правядзення квантавых разлікаў. Вымярэнне альбо на атаме руйнуе суперпазіцыю, створаную адным атамам, які знаходзіцца ў стане Рыдберга, а іншым - не.

Перавага, якую прадастаўляюць нейтральныя атамы, заключаецца ў тым, што ўсе яны аднолькавыя, іх можна сабраць у куды больш жорсткую прастору, чым кубікі на аснове крэмнія, а таксама не трэба ўтрымліваць пры занадта халодных тэмпературах, як гэта трэба для звышправодных кубітаў. Акрамя таго, паколькі нейтральныя атамы менш узаемадзейнічаюць, гэта азначае, што яны менш перашкаджаюць адзін аднаму і губляюць захаваную квантавую інфармацыю.

Такім чынам нейтральныя атамы прапануюць перавагу маштабаванасці і лепшыя агульныя характарыстыкі.

Праца Лукіна была апублікаваная ў апошнім выданні часопіса Physical Review Letters прадэманстравала здольнасць запраграмаваць дзве лабараторыі Рубінія з дакладнасцю 97%. Гэта азначае, што спосаб Райдберга стварыць кубіт блізкі да дакладнасці звышправодных кубітаў, якая ў цяперашні час складае 99%.

У дадатак да гэтага, яшчэ адно даследаванне, апублікаванае прыблізна ў той жа час, дадае падтрымку універсальнасці кубікаў Рыдберга.

Каманда французскіх даследчыкаў апублікавала даследаванне ў вераснёўскім выданні Nature, у якім ім удалося прадэманстраваць цудоўны кантроль над 3D-масівам на 72 нейтральных атамах. Яны змаглі шчыльна спакаваць атамы такім чынам, што немагчыма зрабіць з іёнамі, бо яны адштурхоўваюць адзін аднаго з-за аднолькавага зарада.

У той час як Левін упэўнены, што сістэма, якую ён дапамог стварыць, прынясе карысць тэлекамунікацыйнай галіны, іншыя менш упэўненыя.

"У параўнанні з іншымі кубітамі, нейтральныя атамы, як правіла, не застаюцца", - сказаў Варун Ваідя, фізік кампаніі Xanadu, квантавай вылічальнай кампаніі. Гэта азначае, што сістэмы, якія выкарыстоўваюць нейтральныя атамы, могуць не падыходзіць для выканання больш працяглых задач, паколькі іх стабільнасць адсутнічае.

Несумненна, што застаецца мноства пытанняў, якія тычацца патэнцыялу квантавых вылічэнняў і таго, як забяспечыць лепшы кубіт. Сістэмы Райдберга цалкам могуць даць неабходныя адказы.

Каментары

Першапачаткова апублікаваны на sciscomedia.co.uk 29 верасня 2018 года.