Способность кубитов иметь несколько состояний единовременно и закладывает основу квантовых компьютеров. Квантовая телепортация - демонстрация действия принципа квантовой запутанности, свойство одной частицы воздействовать на свойства другой, пусть даже находящейся на большом расстоянии от первой. Этот феномен имеет большое значение для передачи информации в вычислительной технике.
Квантовая телепортация - это демонстрация того, что Альберт Эйнштейн, как известно, называл «жутким действием на расстоянии» - также известным как квантовая запутанность.
Классический компьютер состоит из миллиардов транзисторов, квантовый кодирует информацию в кубитах, квантовых единицах данных, которые могут принимать значения нуля и единицы одновременно.
Бит имеет одно двоичное значение, которое может быть либо «0», либо «1», но кубиты могут быть одновременно и «0», и «1». Способность отдельных кубитов одновременно занимать несколько состояний лежит в основе большой потенциальной мощности квантовых компьютеров.
Кубиты представляют собой атомы, ионы, электроны или фотоны и их устройства управления, все они работают вместе, выступая в качестве компьютерной памяти и процессора.
На практике этот параллелизм означает, что хотя обычный процессор машины Тьюринга может выполнять только одну задачу за раз, квантовая машина может выполнять много задач одновременно. Они обладают потенциалом быть намного мощнее, чем даже самые крупные современные суперкомпьютеры.
Конечно, есть проблема со всем этим. Если частица, представляющая кубит, постоянно находится во всех состояниях, как вы можете получить осмысленное прочтение ее значения в любое время? Ответ в том, что называется запутанностью. Это эффективно связывает две частицы вместе, так что при нарушении они принимают противоположные значения, что позволяет читать кубит.
Управляющие кубиты
Чтобы квантовые вычисления были практичными, вам нужен способ контроля и чтения кубитов. Есть несколько возможных методов для достижения этой цели. Они могут включать использование магнитных или оптических полей для захвата ионов, использование световых волн для управления частицами, точек из полупроводникового материала, используемых для удержания и управления электронами, или использование примесей в полупроводниках для удержания частиц.
Сверхпроводники, которые позволяют электронам течь с минимальным сопротивлением, также, вероятно, будут использоваться в квантовых вычислениях. Они должны работать при очень низких температурах - абсолютном нуле - в настоящее время, что необходимо преодолеть для практического применения.
В то время как человеческая телепортация существует только в научной фантастике , она все же возможна в субатомном мире квантовой механики - хотя и не так, как это обычно показывают по телевидению. В квантовом мире телепортация включает в себя передачу информации, а не доставку материи.
Чтобы продемонстрировать квантовую телепортацию с использованием электронов, исследователи использовали недавно разработанную методику, основанную на принципах гейзенберговского обменного взаимодействия. Отдельный электрон похож на стержневой магнит с северным и южным полюсом, который может указывать вверх или вниз. Направление полюса - например, направлен ли северный полюс вверх или вниз – известно, как магнитный момент электрона или состояние квантового вращения. Если частицы определенного типа имеют одинаковый магнитный момент, они не могут быть в одном и том же месте в одно и то же время. То есть два электрона в одном и том же квантовом состоянии не могут «сидеть друг на друге». Если они это сделают, их состояния будут меняться во времени.
В прошлом ученые уже добивались квантовой телепортации с помощью электромагнитных фотонов для создания запутанных пар кубитов, находящихся на расстоянии друг от друга. Но есть и другой потенциальный метод передачи информации — кубиты на основе отдельных электронов.
«Отдельные электроны — многообещающий тип кубитов, потому что они легко взаимодействуют друг с другом, а кубиты из отдельных электронов в полупроводниках можно наращивать, — пояснил Джон Николь, один из исследователей. — Надежный метод удаленных взаимодействий электронов очень важен для квантовых вычислений».
Физики из Университета Рочестера и Университета Пердью (США) исследовали новые методы создания квантовых взаимодействий между отдельными электронами. Результаты их работы откроют новые пути развития технологии квантовых компьютеров, которые, в свою очередь, позволят совершить прорыв в медицине, науке и технике, рассказывает Phys.org.
История и развитие
Теория квантовых вычислений датируется началом 1980-х годов, когда она впервые обсуждалась учеными в Аргоннской национальной лаборатории . В 1998 году исследователям из MIT удалось прочитать один кубит в растворе аминокислоты и углеводорода.
В 2000 году Национальная лаборатория Лос-Аламоса в США разработала семибитовый компьютер в одной капле жидкости, используя магнитный резонанс для манипулирования частицами. В том же году IBM Research разработала компьютер с пятью кубитами, запрограммированный радиоимпульсами и считанный с помощью магнитно-резонансной томографии, аналогичный тому, который используется в медицинских сканерах. Команда IBM, возглавляемая доктором Исааком Чуангом, смогла за один шаг решить математическую задачу, которая будет повторяться с использованием обычных компьютеров.
В 2005 году в Университете Инсбрука был создан кубит - серия из восьми кубитов - с использованием метода ионной ловушки. Год спустя ученые в США разработали элементы управления для системы из 12 кубитов. К 2007 году канадская компания D-Wave Systems смогла продемонстрировать 16-кубитную машину, способную решать такие проблемы с сопоставлением с образцом, как судоку.
В 2012 году журнал Nature сообщил, что кубиты были успешно перенесены между двумя лабораториями. В том же году Корнелльский университет выполнил самый большой квантовый расчет, используя 28 вычислительных кубитов.
С мая 2016 года IBM располагает квантовой машиной в облаке в своем исследовательском центре TJ Watson в Нью-Йорке. В настоящее время это система с пятью кубитами, но цель IBM состоит в том, чтобы увеличить ее мощность до 50 кубитов, и в этот момент компания заявляет, что сможет превзойти нынешние 500 лучших суперкомпьютеров в мире.
