Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»
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
181 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, 12:36
4 минуты
Сергей Васильев

Новые наблюдения уточнили минимальную массу звезд, в недрах которых может проходить синтез ядер углерода.

4 часа назад
39 минут
Александр Березин

На протяжении многих лет ученые пытались найти загадочные частицы темной материи – вимпы. Последние исследования показывают, что они вряд ли существуют. Однако неожиданные открытия 2016-2020 годов указывают: темная материя вполне может обойтись и без единой новой частицы. Только вот природа ее совсем не такая, как ожидалось. Более того: если все так, то наша Вселенная – циклическая. Такая Вселенная-феникс могла уже не раз пройти через сменяющие друг друга циклы расширения и сжатия. Попробуем разобраться, в чем тут дело.

Вчера, 18:17
4 минуты
Мария Кривоченко

Несмотря на ослабление ограничительных мер, риск заболеть Covid-19 все еще велик, считают российские вирусологи. Они составили список мест, где появляться сейчас особенно опасно.

6 июля
5 минут
Мария Азарова

Ученые, работающие с крупнейшим в мире радиотелескопом, сообщили об обнаружении эмиссии нейтрального водорода, исходящей от объектов за пределами нашей Галактики.

5 июля
26 минут
Илья Ведмеденко

Новый БПЛА С-70 «Охотник» может стать главным российским проектом в сфере боевой авиации. Но сначала ему нужно подтвердить свою пользу.

Позавчера, 09:25
3 минуты
Сергей Васильев

Моделирование показало, что планеты класса мини-нептунов могут быть покрыты океаном воды в состоянии сверхкритического флюида — промежуточном между обычной жидкостью и газом.

6 июля
5 минут
Мария Азарова

Ученые, работающие с крупнейшим в мире радиотелескопом, сообщили об обнаружении эмиссии нейтрального водорода, исходящей от объектов за пределами нашей Галактики.

1 июля
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

27 июня
8 минут
Sergei Sobol

Уроки астрономии вернулись в российские школы в 2018 году. За то время, пока эта наука была необязательным предметом, в ней произошло много событий, не все из которых нашли отражение в учебниках. Кроме того, в них и раньше не были упомянуты многие интересные факты.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: