Ученые создали первый квантовый компьютер в алмазе

Международная команда ученых построила первый в своем роде квантовый компьютер в алмазе, который имеет защиту от декогерентности - шума, который препятствует нормальному функционированию компьютера, что неизбежно при воздействии внешней среды

Квантовый компьютер – это вычислительное устройство, которое работает на принципах квантовой механики. До сих пор были созданы лишь ограниченные варианты реального подобного устройства. Основная проблема создания квантового компьютера была связана с декогерентностью, сегодня ученым удалось решить эту проблему.

В многонациональную команду исследователей вошли профессор Даниэль Лидэр и постдокторант Жихуи Ванг из Южнокалифорнийского университета, а также исследователи из Дельфтского технологического университета в Нидерландах, Университета штата Айова и Калифорнийского университета. Результаты их работы опубликованы в журнале «Nature».

Алмазная квантовая компьютерная система команды состоит из двух кубитов (кубит – это квантовый разряд, самый малый элемент, который хранит информацию в квантовом компьютере), произведенный из субатомных частиц – спинов ядра азота и электрона.

В противоположность традиционным компьютерным битам, которые могут четко кодировать «1» или «0», кубиты могут одновременно кодировать и «1», и «0». Это свойство называется суперпозицией, которое, наряду со способностью квантовых состояний «прокладывать туннель» через энергетические барьеры, однажды позволит квантовым компьютерам выполнять вычисления намного быстрее, чем способны традиционные компьютеры.

Алмаз, используемый исследователями, как и все алмазы, имеет примеси помимо углерода. Чем больше примесей в алмазе, тем менее он ценен с ювелирной точки зрения, потому что в этом случае затуманивается кристалл. Тем не менее для команды исследователей примеси представляли наибольший интерес.

Ученые создали квантовый компьютер в алмазе, первый в своем роде (фото sciencedaily.com)

Ядро азота стало первым кубитом, а электрон - вторым. Хотя правильнее сказать, что в качестве кубита использовался спин каждой из этих субатомных частиц.

Электроны меньше, чем ядро, и работают значительно быстрее (делают больше квантовых вычислений), но также значительно быстрее подвергаются декогерентности. Кубит, основанный на ядре азота, благодаря большему размеру, является более устойчивым к внешним воздействиям, но медленнее работает.

Хотя квантовые компьютеры уже существуют, этот первый, который использует микроволновой импульс для того, чтобы непрерывно направлять спин электрона.

«Это немного напоминает путешествие во времени», - сказал Даниэль Лидэр, потому что постоянный контроль направления спина электрона устраняет несогласованность в движении, так как кубиты постоянно стремятся вернуться в первоначальное положение.

Команда смогла продемонстрировать, что система, основанная на алмазе, действительно работает квантовым способом, так как результаты экспериментов практически соответствовали «алгоритму Гровера». Алгоритм был написан Ловом Гровером в 1996 году - он показывает, как должно работать квантовое вычисление – это алгоритм нахождения решения уравнения в неструктурированном каталоге.

Тест – это поиск имени в неструктурированной базе данных, когда известен только номер телефона. По случайности, конечно, можно найти имя с первой попытки, но, возможно, придется перерыть всю книгу, чтобы его найти. Скажем, если не учитывать параметр времени, в среднем, вы нашли бы имя, которое искали, после просмотра половины телефонной книги. Математически это может быть выражено так: вы нашли бы правильный ответ при попытке X/2, если X – вся телефонная книга, которую нужно просмотреть. Так, если удвоить телефонную книгу по количеству номеров, вы найдете правильный телефон, в среднем, со второй попытки.

Квантовый компьютер, используя свойства суперпозиции, может сделать правильный выбор значительно быстрее. Математика его сложная, но в практическом смысле квантовый компьютер, который ищет в хаотичном списке, будет находить правильный ответ с первой попытки.

Хоть новый компьютер и несовершенный, он делал правильный выбор с первой попытки приблизительно в 95 процентах случаев - достаточно, чтобы доказать, что он работает квантовым способом.