Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах» — Naked Science
11 минут
ФизТех

Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»

Впервые показано, как использовать квантовые блуждания более чем одного электрона для реализации квантовых вычислений.

Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»
Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»

Учёные из Физико-технологического института РАН и МФТИ запустили в систему из квантовых точек два электрона и получили элемент квантового компьютера высокой размерности (более высокой, чем кубит). В работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, впервые показано, как использовать квантовые блуждания более чем одного электрона для реализации квантовых вычислений.

Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»

«На примере двух электронов мы разрешили проблемы, которые возникают при рассмотрении одинаковых взаимодействующих частиц, и вот, проторена дорога к тому, чтобы создавать компактные высокоразрядные квантовые структуры», — пояснил Леонид Федичкин, эксперт РАН, заместитель директора по научной работе НИКС, доцент кафедры теоретической физики МФТИ.

Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»
Регистр из трёх классических битов кодирует три переменные, а из трёх квантовых битов — восемь переменных
Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»
Квантовый бит, или кубит — наименьший элемент в квантовом компьютере, который имеет два базовых состояния: |0⟩ и |1⟩. Он отличается от классического бита не диковинными скобками (ничего особенного, просто в квантовой механике так принято обозначать состояние), а тем, что он находится в суперпозиции состояний: A|0⟩+Б|1⟩. Как известно, классический бит принимает только одно из двух значений: 0 или 1. Квантовые элементы с несколькими базовыми состояниями называются кудитами

Квантовый компьютер способен за считанные часы взломать самую распространённую систему шифрования, которая используется даже в вашем браузере. Среди более благих задач, которые под силу квантовому компьютеру, — моделирование молекул с учётом всех взаимодействий между частицами, что приведёт в том числе к созданию высокоэффективных солнечных батарей и новых лекарственных препаратов. Чтобы квантовый компьютер имел реальное применение, он должен состоять из нескольких сотен, а то и тысяч кубитов. Вот тут-то и возникают трудности.

Непреодолимым препятствием на пути к квантовым вычислениям оказалась неустойчивая связь между кубитами. Квантовые структуры сверхчувствительны к внешним помехам, в отличие от классических. Систему из нескольких кубитов приходится держать под жидким азотом или гелием, чтобы они не потеряли информацию. Зато для реализации отдельного кубита предложена масса технологий. Ранее научная группа Федичкина показала, что в качестве кубита можно использовать частицу, заблудившуюся в двух «соснах». Роль «сосен» играют связанные квантовые точки — очень маленькие полупроводники, которые с энергетической точки зрения являются ямами для электрона. Тогда нахождение электрона в левой или в правой яме задаёт базовые состояния кубита: |0⟩ или |1⟩ соответственно. Электрон размазывается по ямам и занимает определённое положение, только если его «спросить», то есть измерить его координаты. Иными словами, он находится в состоянии суперпозиции.

Про связанные кубиты нельзя сказать, что один находится в одном состоянии, а другой — в другом, можно рассматривать только состояние всей системы. Например, система из трёх кубитов имеет 8 базовых состояний и находится в их суперпозиции: A|000⟩+Б|001⟩+В|010⟩+Г|100⟩+Д|011⟩+Е|101⟩+Ж|110⟩+З|111⟩. Если подействовать на такую систему, изменятся все восемь коэффициентов, а если на систему из обычных битов, то изменится каждый бит в отдельности. То есть память n битов состоит из n переменных, а n кубитов — из 2n переменных. Кудиты дают ещё более колоссальное преимущество, например, в память n кудитов с разрядом 4, которые называются куквадритами, можно записать 4n, то есть 2n×2n переменных. Так, память десяти куквадритов больше, чем память десяти битов, примерно в 100 000 раз, а с ростом n число ноликов быстро увеличивается.

Алексей Мельников и Леонид Федичкин предложили запустить в кольцо из квантовых точек два электрона, чтобы создать между ними квантовую сцепленность и получить сразу два связанных кудита. Квантовая сцепленность, или запутанность, достигается за счёт того, что одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Можно получить и больше связанных кудитов в том же объёме полупроводника, если запускать в него ещё больше электронов и создавать из квантовых точек более извилистые пути. Преимуществом такого способа является то, что квантовые блуждания частиц — это естественный процесс. Однако соседство одинаковых электронов в одной структуре создаёт дополнительные сложности, которые до этого преодолены не были.

Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»
Синие и фиолетовые точки — это состояния двух связанных кудитов (кутритов в случае (a) и куквадритов в случае (b)). На квадратных диаграммах по горизонтали отложено i = 0, 1, 2, … , а по вертикали — j = 0, 1, 2, … . Разными цветами показана вероятность того, что при измерении системы один электрон окажется в точке под номером i, а второй — в точке под номером j. Чем теплее цвет, тем выше вероятность

Сцепленность частиц представляет собой важное явление для эффективной квантовой обработки информации. Но ситуация с одинаковыми частицами затрудняется тем, что между невзаимодействующими электронами может возникать так называемая ложная сцепленность. Учёные провели математические расчёты для двух случаев: когда взаимодействие есть и когда его нет — и отделили истинную сцепленность от ложной. Они рассмотрели, как меняется во времени вероятностная картина для разного числа точек: 6, 8, 10 и 12, то есть для двух связанных кудитов с тремя, четырьмя, пятью и шестью разрядами каждый. Оказалось, что предложенная структура обладает относительной устойчивостью, а небольшой шум даже способствует созданию высокоразрядных компактных элементов.

Об универсальном квантовом компьютере мечтают уже давно, но до сих пор не получается связать достаточно большое число кубитов. Работа российских учёных приблизила тот день, когда вычисления на квантовом компьютере станут обычным делом. Хоть и существуют такие алгоритмы, которые принципиально невозможно ускорить с помощью квантовых вычислений, в определённых задачах создание многокубитной (или кудитной) машины позволит сэкономить несколько тысяч лет.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
213 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 18:50
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

Вчера, 19:26
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

Вчера, 18:20
5 минут
Илья Ведмеденко

Согласно решению Арбитражного суда Амурской области, строительство стартового комплекса «Ангара» на Восточном должны приостановить. Напомним, стартовый стол создают под тяжелую ракету «Ангара-А5», которую хотят применить для испытаний космического корабля нового поколения.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Вчера, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: