Квантовият компютър скоро може да е „у дома”

Нов рекорд в квантовите изчисления постави международен екип учени, ръководени от физика Майдъл Деуолт от университета „Саймън Фрейзър”.

Резултатът от експеримента на физиците разтваря вратите в света на свръхбързите кватови компютри, които ще могат да провеждат няколко изчислителни операции едновременно и дори да работят в „домашни условия”.

Ако в обикновения компютър се използват битове, приемащи значението 1 или 0, то квантовите компютри оперират с кюбитове (qubit — quantum bit, „квантов бит”). Кюбитовете се намират в състояние на суперпозиция, при която те едновременно имат значението на двоичния код 1 и 0, което значително ускорява изчисленията.

В рамките на новия експеримент физиците покачили температурата в квантовата система, в която информацията се кодира в ядра на фосфорни атоми върху силициева пластина, от -269°С до 25°С. Резултатите показали, че състоянието на суперпозиция при стайна температура се задържа в продължение на 39 минути. Разликата със стари рекорди е доста съществена – предишни изследвания са дали резултат само две секунди при същата температура.

Изследователите забелязали също така, че при нарастването на температурата кюбитовете могат да се управляват, а при нейното повторно понижение единиците квантова информация както преди остават стабилни.

„Трийсет и девет минути само изглеждат кратък период. А за смяната на посоката на спина в ядрата на фосфорните йони, тоест за старта на квантовите изчисления, се изисква само една стохилядна част от секундата. На теория може да се проведат около 20 милиона операции за това време, което се изисква за естествения разпад на суперпозицията с 1%. Това наистина дава надежда за конструиране на мощни квантови компютри”, пояснява съавторът на изследването Стефани Симънс от катедрата по материалознание към Оксфордския университет.

Експериментът започнал с това, че учените взели малко парче силиций, легиран с няколко други елемента, включително фосфор. Квантовата информация била кодирана в ядрата на фосфорните атоми. Всяко ядро има своя собствена квантова характеристика, наречена спин. Спинът може да се сравни с микроскопичен магнит, поставен в магнитно поле. Спиновете може да се управляват: „магнитчето” може условно да се озове или горе (което представлява 0), или долу (за значението 1), или в друго междинно положение, представлявайки по такъв начин суперпозиция.

Образецът бил изготвен при температура само с 4 градуса над абсолютната нула и поставен в магнитно поле. За създаване на суперпозиция и изменението на посоката на спиновете на ядрата физиците използвали допълнително магнитни полета.

При ниска температура (-269°С) спиновете на около 37% от ядрата оставали в състояние на суперпозиция в продължение на три часа. Когато температурата била повишена до стайна, този показател спаднал на 39 минути, което се превърнало в рекорд за подобен род експерименти.

Крехкото квантово състояние на суперпозиция при температура 25 градуса по Целзий било задържано за рекордните 39 минути.
© Karl G. Nyman/CC BY

„Продължителността на „живота” на квантовите състояния в нашия експеримент поне десет пъти превишава този, който са постигали авторите в предишни изследвания. Ние създадохме наистина високопроизводителни кюбитове”, пише Симънс в съобщение на Оксфордския университет.

Следващият етап от мащабното изследване вероятно ще бъде още по-труден. В този случай 10 милиарда фосфорни ядра ще се намират в еднакво квантово състояние. За изпълнение на изчисленията физиците ще трябва да поставят различните кюбитове в различни състояния.

Статията с резултатите от изследването е публикувана в сп. Science.