Обеспечить стабильную работу квантовых компьютеров очень сложно. Кубиты легко разрушаются под воздействием окружающей среды, поэтому их необходимо охлаждать до крайне низких температур при помощи громоздких и дорогостоящих криогенных установок.
Квантовые компьютеры используют особые свойства физических частиц, кубитов, которые могут шифровать и передавать информацию в разы быстрее традиционных систем. Электронно-вычислительные машины на основе полупроводников кодируют данные в виде битов со значением «1» и «0», кубиты же могут иметь оба значения одновременно благодаря суперпозиции — и чем их больше, тем выше производительность.
Доступная и простая конструкция
Команда из Стэнфорда утверждает, что смогла упростить дизайн устройства при помощи фотонной схемы. Их удивительно простая конструкция требует всего нескольких единиц оборудования: оптоволоконный кабель, светоделитель, пару оптических переключателей и оптический резонатор. К счастью, эти компоненты уже существуют и их реально купить.
Готовая система состоит из кольца, в котором хранятся фотоны, и блока рассеивания. Частицы света становятся кубитами, а их значение определяет направление движения в кольце. При этом суперпозиция позволяет фотонам двигаться одновременно в две стороны.
Накопитель и рассеиватель
Итак, конструкция состоит из двух основных частей: накопителя и рассеивателя. Накопительное кольцо, которое функционирует аналогично памяти в обычном компьютере, представляет собой оптоволоконную петлю, удерживающую несколько фотонов, перемещающихся по кольцу. По аналогии с битами, хранящими информацию в классическом компьютере, в этой системе каждый фотон представляет собой квантовый бит или «кубит». Направление движения фотона вокруг накопительного кольца определяет значение кубита, которое, как и бит, может быть 0 или 1. Кроме того, поскольку фотоны могут одновременно существовать в двух состояниях одновременно, отдельный фотон может течь в обоих направлениях одновременно. , который представляет собой значение, которое является комбинацией 0 и 1 одновременно.
Исследователи утверждают, что можно управлять фотоном, направляя его из накопительного кольца в рассеивающее устройство, где он попадет в полость, содержащую единственный атом. Затем при взаимодействии фотона с атомом происходит их «запутывание» - квантовое явление, при котором две частицы могут влиять друг на друга даже на больших расстояниях. После этого фотон возвращается в накопительное кольцо, и лазер изменяет состояние атома. Поскольку атом и фотон запутаны, оказанное воздействие на атом также влияет на состояние его парного фотона.
«Квантовая телепортация»
В предлагаемой конструкции лазер используется для управления одним атомом, который, в свою очередь, может изменять состояние фотонов с помощью явления, называемого «квантовой телепортацией».
«Измеряя состояние атома, вы можете телепортировать операции на фотоны. В итоге потребуется только один управляемый атомный кубит, и его можно использовать в качестве прокси для косвенного управления всеми другими фотонными кубитами», — объяснил ведущий автор исследования Бен Бартлетт.
Ученые выяснили, что один атом можно повторно использовать, откатив его до исходного состояния. Это дает возможность управлять множеством кубитов в одном кольце и повысить мощность квантового компьютера, добавляя больше кубитов. При таком подходе не нужно увеличивать размеры системы за счет добавления новых колец или других деталей. Кроме того, в одной системе можно запускать множество разных программ, записывая разные коды.
«Если вы захотите построить квантовый компьютер, вам придется использовать тысячи квантовых излучателей, сделать их все совершенно неразличимыми, а затем интегрировать их в гигантскую фотонную схему. А наша новая схема потребует использования нескольких относительно простых компонентов, при этом размер машины не увеличивается с размером квантовой программы, которую вы хотите запустить», — добавил Бен Бартлетт.
