Forskere opretter en kvantecomputers hukommelsescelle med en højere dimension end en qubit

Forskere fra Institut for Fysik og Teknologi ved Det Russiske Videnskabsakademi og MIPT har ladet to elektroner løsne i et system med kvantepunkter for at oprette en kvantecomputers hukommelsescelle med en højere dimension end en qubit (en kvantebit). I deres undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter , forskerne demonstrerer for første gang, hvordan kvanteture af flere elektroner kan hjælpe med at implementere kvanteberegning.

"Ved at studere systemet med to elektroner, vi løste problemerne i det almindelige tilfælde af to identiske interagerende partikler. Dette baner vejen mod kompakte kvantestrukturer på højt niveau, "siger Leonid Fedichkin, lektor ved MIPT's Institut for Teoretisk Fysik.

I løbet af få timer, en kvantecomputer ville være i stand til at hacke igennem det mest populære kryptosystem, der bruges af webbrowsere. Hvad angår mere velvillige applikationer, en kvantecomputer ville være i stand til molekylær modellering, der tegner sig for alle interaktioner mellem de involverede partikler. Dette ville igen muliggøre udvikling af meget effektive solceller og nye lægemidler. For at have praktiske anvendelser, en kvantecomputer skal indeholde hundredvis eller endda tusinder af qubits. Og det er der, det bliver svært.

Det viser sig, den ustabile karakter af forbindelsen mellem qubits er stadig den største hindring for at forhindre brug af kvanteture af partikler til kvanteberegning. I modsætning til deres klassiske analoger, kvantestrukturer er ekstremt følsomme over for ekstern støj. For at forhindre et system med flere qubits i at miste de oplysninger, der er gemt i det, flydende nitrogen (eller helium) skal bruges til afkøling. Masser af ordninger er blevet foreslået til eksperimentel realisering af en separat qubit. I et tidligere studie, et forskerhold ledet af prof. Fedichkin demonstrerede, at en qubit fysisk kunne implementeres som en partikel, der "tog en kvantetur" mellem to ekstremt små halvledere kendt som kvantepunkter, som er forbundet med en "kvantetunnel." Set fra en elektron, kvanteprikkerne repræsenterer potentielle brønde. Dermed, elektronens position kan bruges til at kode de to grundtilstande for qubit— | 0? og | 1? - afhængigt af om partiklen er i den ene eller den anden brønd. I stedet for at sidde i en af ​​de to brønde, elektronen er udsmurt mellem de to forskellige tilstande, optager kun en bestemt position, når dens koordinater måles. Med andre ord, det er i en superposition af to stater.

Hvis der opstår en sammenfiltret tilstand mellem flere qubits, deres individuelle tilstande kan ikke længere beskrives adskilt fra hinanden, og enhver gyldig beskrivelse skal referere til hele systemets tilstand. Det betyder, at et system med tre qubits har i alt otte basistilstande og er i en superposition af dem:A | 000⟩+B | 001⟩+C | 010⟩+D | 100⟩+E | 011⟩+F | 101⟩+G | 110⟩+H | 111⟩. Ved at påvirke systemet, en påvirker uundgåeligt alle de otte koefficienter, der henviser til, at påvirkning af et system med regelmæssige bits kun påvirker deres individuelle tilstande. Underforstået, n bits kan gemme n variabler, mens n qubits kan gemme 2 ⁿ variabler. Qudits giver en endnu større fordel, da n qudits på fire niveauer (alias ququarts) kan kode 4 ⁿ , eller 2 ⁿ × 2 ⁿ variabler. For at sætte dette i perspektiv, 10 kvarts butik cirka 100, 000 gange mere information end 10 bits. Med større værdier af n, nullerne i dette nummer begynder at hobe sig meget hurtigt op.

I dette studie, Alexey Melnikov og Leonid Fedichkin får et system med to qudits implementeret som to sammenfiltrede elektroner, der kvanteturker rundt i den såkaldte cykeldiagram. For at lave en, forskerne måtte "forbinde prikkerne, "danner en cirkel (endnu en gang, det er kvantepunkter, og de er forbundet med kvantetunnel). Indvikling af de to elektroner skyldes den indbyrdes elektrostatiske frastødning, der opleves af lignende ladninger. Det er muligt at oprette et system med endnu flere qudits i samme mængde halvledermateriale. At gøre dette, det er nødvendigt at forbinde kvanteprikker i et mønster af snoede stier og have flere vandrende elektroner. Kvantevandringsmetoden til kvanteberegning er praktisk, fordi den er baseret på en naturlig proces. Alligevel, tilstedeværelsen af ​​to identiske elektroner i den samme struktur var en kilde til yderligere vanskeligheder, der var forblevet uløste.

Fænomenet partikelindvikling spiller en afgørende rolle i behandling af kvanteoplysninger. Imidlertid, i forsøg med identiske partikler, falsk sammenfiltring kan opstå mellem elektroner, der ikke interagerer, som skal skelnes fra ægte sammenfiltring. At gøre dette, forskerne udførte matematiske beregninger for begge tilfælde, dvs. med og uden sammenfiltring. De observerede den ændrede fordeling af sandsynligheder for sagerne med seks, otte, 10, og 12 prikker, dvs. for et system med to qudits med tre, fire, fem, og seks niveauer hver. Forskerne demonstrerede, at deres foreslåede system er kendetegnet ved en relativt høj grad af stabilitet.

Indtil nu, forskere har ikke været i stand til at forbinde et tilstrækkeligt antal qubits til udvikling af en kvantecomputer. De russiske forskeres arbejde bringer datalogi et skridt tættere på en fremtid, når kvanteberegninger er almindelige. Og selvom der er algoritmer, som kvantecomputere aldrig kunne accelerere, andre vil stadig have en enorm fordel af enheder, der er i stand til at udnytte potentialet i et stort antal qubits (eller qudits). Disse alene ville være nok til at redde os et par tusinde år.