Маленькими, но уверенными шагами человечество приближается к созданию квантовых компьютеров. Не так давно «Газета.Ru» писала о практической реализации передачи запутанного квантового состояния на большом расстоянии, определяющей вычислительные особенности будущих машин. Теперь же две научные группы, одна из Франции, вторая из Швейцарии, независимо друг от друга предложили прототип запоминающего устройства для квантовых компьютеров. Результаты обеих групп опубликованы в последнем номере журнала Nature.
Единичный элемент потенциальных запоминающих устройств был независимо разработан двумя научными группами и представляет собой облако охлажденных до сверхнизких температур атомов рубидия, помещенных в специальный микро-желобок. На торцы желобка нанесены отражающие поверхности, предназначенные для «запирания» квантов света внутри системы.
наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, условно обозначаемых «0» и «1», но при этом может находиться и в любом «смешанном» состоянии. (Слово «смешанное» не зря пишется в кавычках - у физиков есть одноимённый термин, однако в данном случае он не применим).
Попытка измерения состояния кубита неизменно влечет за собой превращение этого состояния в одно из базовых - так проявляется квантовая природа микромира. Тем не менее, квантовый компьютер оперирует сразу со всеми состояниями, в которых находятся его кубиты, что и определяет его невозмужную для классического компьютера эффективность.
Возможность создания квантового компьютера, манипулирующего квантовой информацией, определяется тем, что кубиты могут быть запутаны между собой – между ними может быть установлена внутренняя связь, которая проявляется в изменении состояния всех кубитов при намеренном изменении состояния одного. Образующийся из этой совокупности квантовый регистр ячеек информации не только может принимать различные состояния, являющиеся совокупностью состояний отдельных кубитов, но и реализовывать всевозможные взаимодействия между ними.
Это создает предпосылки для создания «квантового компьютера», способного к истинно параллельным вычислениям на одном и том же процессоре, в отличие от современных на базе кремниевых чипов, каждый из которых способен единовременно выполнять лишь одну операцию.
Кубиты — квантовые биты — могут нести в себе, кроме двух противоположных состояний, и некоторую их суперпозицию, нечто среднее между этими значениями.
С их помощью математики разработали алгоритмы абсолютной защиты от прослушивания информации и надеются в будущем создать квантовые компьютеры, значительно превосходящие по быстроте действия современные кремниевые. Согласно теории, нет ничего сложного в том, чтобы, используя единичный фотон, изменить квантовое состояние отдельного атома, которое, подобно неопределенному «ДАНЕТ», будет неопределенным высоко-низкоэнергетическим.
Однако прочитать такой бит информации может оказаться очень сложно – атом способен изменить свое состояние, испустив фотон, или перейти в другое энергетическое состояние, столкнувшись с другим атомом, и так и не испустив фотона.
В любом случае, информация будет безвозвратно утеряна.
Конденсат Бозе – Эйнштейна – пятое состояние материи, основанное на работах Альберта Эйнштейна и Шантьендраната Бозе. В этом конденсате атомы находятся в своем низшем энергетическом состоянии, которое достигается на практике специальными методиками охлаждения вещества. В итоге, атомы в конденсате Бозе-Эйнштейна имеют температуру, на несколько стомиллионных долей градуса превышающую абсолютный нуль.
В этом случае тепловое движение отдельных частиц полностью исключено, атомы лишь слегка колеблются, их очертания «расплываются» и они образуют «облака», тысячекратно превосходящие исходные атомы по размерам. Эти облака неизбежно перекрываются и в итоге вся система атомов переходит в конденсированное состояние, проявляя свойства не совокупности отдельных частиц, но единого целого.
В этом состоянии все атомы находятся в одной и той же квантовой конфигурации, функционируя, как некий «суператом».
Сотрудники этой научной группы поместили БЭК между двумя зеркальными поверхностями, создав тем самым «ловушку» для квантов света с определенной длиной волны. Исследователи показали, что газ из атомов рубидия может откликаться на кванты света с определенной энергией и испускать фотоны только в определенном направлении вдоль желобка-капкана.
Кроме того, как пояснил New Scientist профессор Тилман Эсслингер из цюрихского Института квантовой электроники и руководитель второй, независимой группы ученых, большое число атомов, составляющих конденсат Бозе-Эйнштейна, охладить гораздо проще, чем единичный атом.
Атомы холодного БЭК не участвуют в тепловом движении и, соответственно, не изменяют своего энергетического состояния, что означает возможность долговременного хранения информации в таких кубитах.
Создание подобного кубита стало отдельной технологической задачей, так как требовалось разместить всю систему на одном чипе. В результате авторы разработали методику нанесения зеркального покрытия на торцы оптоволоконных кабелей, являющихся стенками «квантовой ячейки» толщиной всего 4 сотых миллиметра.
Несмотря на то, что кубиты на основе БЭК представляют собой перспективную технологию квантовых запоминающих устройств, Эсслингер остерегается делать прогнозы относительно перспектив создания квантовой памяти. По его словам, до перехода к их внедрению потребуется провести ещё немало дополнительных испытаний и тщательно изучить поведение данных систем.
