Дослідники пропонують простіший дизайн квантових комп'ютерів

 

(Фото: phys.org)

Сучасні квантові комп'ютери складні у складанні, їх важко масштабувати, і для роботи потрібні температури нижче, ніж у міжзоряному просторі. Ці проблеми спонукали дослідників вивчити можливість створення квантових комп'ютерів, які працюють із використанням фотонів – частинок світла. Фотони можуть легко переносити інформацію з одного місця в інше, а фотонні квантові комп'ютери можуть працювати за кімнатної температури, тому цей підхід є багатообіцяючим. Однак, хоча люди успішно створили окремі квантові «логічні ворота» для фотонів, складно збудувати велику кількість вентилів і надійно з'єднати їх для виконання складних обчислень.

• Учені вперше випробували квантовий ефект, що дозволяє зробити матерію невидимою

• Перспективний новий електричний йодний двигун проходить ключові випробування на орбіті

Згідно зі статтею, опублікованою 29 листопада в Optica, дослідники Стенфордського університету запропонували простішу конструкцію фотонних квантових комп'ютерів з використанням легко доступних компонентів. У їх пропонованій конструкції використовується лазер для управління одним атомом, який, у свою чергу, може змінювати стан фотонів за допомогою явища, що називається "квантової телепортації". Атом можна скинути і повторно використовувати для багатьох квантових вентилів, усуваючи необхідність створення декількох окремих фізичних вентилів, що значно знижує складність побудови квантового комп'ютера.

«Зазвичай, якщо ви хочете побудувати такий тип квантового комп'ютера, вам доведеться взяти потенційно тисячі квантових випромінювачів, зробити їх абсолютно невиразними, а потім інтегрувати їх у гігантську фотонну схему», - сказав Бен Бартлетт, доктор філософії. кандидат прикладної фізики, провідний автор статті. "Зважаючи на те, що при такому дизайні нам знадобиться всього кілька відносно простих компонентів, а розмір машини не збільшується з розміром квантової програми, яку ви хочете запустити".

Ця напрочуд проста конструкція вимагає всього кількох одиниць обладнання: оптоволоконного кабелю, світлодільника, пари оптичних перемикачів та оптичного резонатора.

На щастя, ці компоненти вже існують і навіть є у продажу. Вони також постійно вдосконалюються, оскільки нині використовуються у квантових обчисленнях, а й у інших додатках. Наприклад, телекомунікаційні компанії роками працюють над покращенням оптоволоконних кабелів та оптичних перемикачів.

«Те, що ми пропонуємо тут, ґрунтується на зусиллях та інвестиціях, які люди вклали у покращення цих компонентів», - сказав Шанхуей Фань, професор Школи інженерії Джозефа та Хон Май Гудмана та старший автор статті. "Це не нові компоненти спеціально для квантових обчислень".

Новий дизайн

Конструкція вчених складається з двох основних частин: накопичувача та розсіювача. Накопичувальне кільце, яке функціонує аналогічно пам'яті в звичайному комп'ютері, є оптоволоконною петлю, що утримує кілька фотонів, що переміщаються по кільцю. За аналогією з бітами, що зберігають інформацію в класичному комп'ютері, в цій системі кожен фотон є квантовим бітом або «кубітом». Напрямок руху фотона навколо накопичувального кільця визначає значення кубіту, яке, як і біт, може бути 0 або 1. Крім того, оскільки фотони можуть одночасно існувати в двох станах одночасно, окремий фотон може текти в обох напрямках одночасно. , Що являє собою значення, яке є комбінацією 0 і 1 одночасно.

Дослідники можуть керувати фотоном, направляючи його з накопичувального кільця в пристрій, що розсіює, звідки він потрапляє в порожнину, що містить єдиний атом . Потім фотон взаємодіє з атомом, змушуючи їх «заплутатися» - квантове явище, у якому дві частки можуть впливати одна на одну навіть великі відстані. Потім фотон повертається в накопичувальне кільце і лазер змінює стан атома. Оскільки атом і фотон заплутані, маніпулювання атомом впливає стан його парного фотона.

"Вимірюючи стан атома, ви можете телепортувати операції на фотони", - сказав Бартлетт. «Таким чином, нам потрібен лише один керований атомний кубіт, і ми можемо використовувати його як проксі для непрямого керування всіма іншими фотонними кубітами».

Оскільки будь-який квантовий логічний вентиль може бути скомпільований у послідовність операцій, що виконуються над атомом, ви, в принципі, можете запустити будь-яку квантову програму будь-якого розміру, використовуючи лише один керований атомний кубіт. Для запуску програми код перетворюється на послідовність операцій, які направляють фотони в блок розсіювання та маніпулюють атомним кубитом. Оскільки ви можете контролювати взаємодію атома і фотонів, той самий пристрій може запускати безліч різних квантових програм.

«Для багатьох фотонних квантових комп'ютерів воротами є фізичні структури, через які проходять фотони, тому якщо ви хочете змінити працюючу програму, це часто включає фізичну реконфігурацію обладнання», - сказав Бартлетт. «Тоді як у цьому випадку вам не потрібно міняти обладнання – вам просто потрібно дати машині інший набір інструкцій».

Пише phys.org