Forskernes opdagelse baner vejen for nye ultrahurtige kvantecomputere

Forskere ved Institut for Fysik ved University of Tartu har fundet en måde at udvikle optiske kvantecomputere af en ny type. Centralt for opdagelsen er sjældne jordarters ioner, der har visse egenskaber og kan fungere som kvantebits. Disse ville give kvantecomputere ultrahurtig beregningshastighed og bedre pålidelighed sammenlignet med tidligere løsninger. Tartu-universitetets forskere Vladimir Hizhnyakov, Vadim Boltrushko, Helle Kaasik og Yurii Orlovskii offentliggjorde resultaterne af deres forskning i det videnskabelige tidsskrift Optik kommunikation .

Mens i almindelige computere, informationsenhederne er binære cifre eller bits, i kvantecomputere er enhederne kvantebits eller qubits. I en almindelig computer, information er for det meste båret af elektricitet i hukommelseslagerceller bestående af felteffekttransistorer, men i en kvantecomputer, afhængigt af computertypen, informationsbærerne er meget mindre partikler, for eksempel ioner, fotoner og elektroner. Qubit-informationen kan bæres af en bestemt karakteristik af denne partikel (f.eks. spin af elektron eller polarisering af foton), som kan have to tilstande. Mens værdierne af en almindelig bit er 0 eller 1, også mellemvarianter af disse værdier er mulige i kvantebitten. Den mellemliggende tilstand kaldes superpositionen. Denne egenskab giver kvantecomputere mulighed for at løse opgaver, som almindelige computere ikke er i stand til at udføre inden for rimelig tid.

Qubits af blandede ion-krystaller

Forskere ved Institut for Fysik ved University of Tartu viste, at mikrokrystaller, syntetiseret på basis af blandede optiske fluorkrystalmatricer doteret med erbium, praseodym og nogle andre ioner af sjældne jordarters grundstoffer, kan fungere som qubits, der muliggør ultrahurtig optisk kvanteberegning.

Professor Vladimir Hizhnyakov, medlem af det estiske videnskabsakademi, siger, at når man vælger ioner, deres elektroniske tilstande med meget forskellige egenskaber er af største betydning. "De skal have mindst to tilstande, hvor ioninteraktionen er meget svag. Disse tilstande er velegnede til grundlæggende kvantelogiske operationer på enkelte kvantebits. der er behov for en tilstand eller tilstande, hvor ioninteraktionen er stærk - disse tilstande muliggør kvantelogiske operationer med to eller flere qubits. Alle disse tilstande skal have en lang (milli- eller mikrosekund) levetid, og optiske overgange skal tillades mellem disse tilstande, " forklarede Hizhnyakov.

Han siger, at indtil videre det blev ikke anset for muligt at finde sådanne elektroniske tilstande af sjældne jordioner og derfor har forskere ikke ledt efter sådanne tilstande, der er egnede til qubits blandt dem. "Indtil nu, for det meste er spin-tilstande af atomkerner blevet undersøgt for rollen som qubits. Imidlertid, deres frekvens er en million gange lavere end frekvensen af ​​vores kvantebit. Dette er grunden til, at også kvantecomputere skabt på basis af disse qubits ville være betydeligt langsommere end computere med vores elektroniske tilstandsbaserede kvantebits, " forklarede han.

Højere hastighed og færre fejl

En ultrahurtig arbejdscyklus ville tillade, ifølge Hizhnyakov, at overvinde en af ​​de største forhindringer i skabelsen af ​​kvantecomputere. Qubits er nemlig meget følsomme over for deres miljø, Derfor kan enhver miljøinterferens føre til fejl i kvanteberegningen. "Kohærenstiden for qubits, dvs. varigheden af ​​den rene kvantetilstand, er meget kort. Jo hurtigere beregningscyklussen er, jo mindre interferens forårsages af det omgivende miljø i arbejdet med qubits, " forklarede Hizhnyakov.

Det er blevet konstateret, at den spektrale hulbrændingsmetode, tidligere udviklet ved Institut for Fysik ved University of Tartu kan bruges til at vælge et sæt qubits i en mikrokrystal, der fungerer som en computerinstans. Ifølge Hizhnyakov, dette i øjeblikket en af ​​de mest kraftfulde metoder til optisk spektroskopi, som gør det muligt at finde de ioner i en mikrokrystal, der er bedst egnede til brug som computer-qubits.

Selvom det stadig er en lang vej fuld af forhindringer for en faktisk fungerende kvantecomputer, forskere ved laserspektroskopi -laboratoriet ved University of Tartu er begyndt at bygge en pilotprototype af kvantecomputer baseret på den nye metode. Ifølge forskerne, de står på tærsklen til at præsentere arbejdet med de grundlæggende elementer i den nye type kvantecomputer.

Det afsluttede forskningsstudie er en del af det fælles projekt "Spektroskopi af sammenfiltrede tilstande af klynger af sjældne jordforureningsioner til kvanteberegning, "udført af Laboratory of Laser Spectroscopy og Laboratory of Solid State Theory ved Institute of Physics ved University of Tartu.