Хорошая идея: шаг к квантовым вычислениям

Исследователи разработали новый метод использования лазеров для создания крошечных решеточных волн внутри кристаллов кремния, которые могут кодировать квантовую информацию. Используя преимущества существующего кремниевого оборудования, эта работа может значительно снизить стоимость будущих квантовых компьютеров для криптографических и оптимизационных приложений.

Команда из университета Цукуба изучила новый процесс создания когерентных решеточных волн внутри кристаллов кремния с использованием ультракоротких лазерных импульсов. Используя теоретические расчеты в сочетании с экспериментальными результатами, которые были получены в университете Питтсбурга, они смогли показать, что когерентные колебательные сигналы могут поддерживаться внутри образцов. Это исследование может привести к созданию квантовых компьютеров на основе существующих кремниевых устройств, которые могут быстро выполнять задачи, недоступные даже самым быстрым доступным суперкомпьютерам.

От домашних ПК до бизнес-серверов, компьютеры являются центральной частью нашей повседневной жизни, и их мощность продолжает расти с поразительной скоростью. Тем не менее, на горизонте есть две большие проблемы для классических компьютеров. Первый — это фундаментальное ограничение на количество транзисторов, которые мы можем упаковать в один процессор. В конце концов, если мы продолжим наращивать их вычислительную мощность, потребуется совершенно новый подход. Во-вторых, даже самые мощные компьютеры сталкиваются с определенными важными проблемами, такими как криптографические алгоритмы, обеспечивающие безопасность номера вашей кредитной карты в Интернете, или оптимизация маршрутов доставки пакетов.

Решением обеих проблем могут быть квантовые компьютеры, которые используют физические правила, которые управляют очень малыми масштабами длины, как для атомов и электронов. В квантовом режиме электроны действуют больше как волны, чем бильярдные шары, с позициями, которые «размыты», а не определены. Кроме того, различные компоненты могут быть запутаны, так что свойства каждого из них не могут быть полностью описаны без ссылки на другой. Эффективный квантовый компьютер должен поддерживать когерентность этих запутанных состояний достаточно долго, чтобы выполнять вычисления.

В текущем исследовании команда из Университета Цукубы и Хрвое Петека, кафедра физики и астрономии Р. К. Меллона в Университете Питтсбурга, использовала очень короткие лазерные импульсы для возбуждения электронов внутри кристалла кремния. «Использование существующего кремния для квантовых вычислений значительно облегчит переход на квантовые компьютеры», — объясняет первый автор доктор Йохей Ватанабе. Энергичные электроны создавали когерентные колебания структуры кремния, так что движения электрона и атомов кремния запутывались. Состояние системы затем проверялось через переменное время задержки вторым лазерным импульсом.

Основываясь на своей теоретической модели, ученые смогли объяснить колебания, наблюдаемые в генерируемом заряде, как функцию времени задержки. «Этот эксперимент раскрывает основные квантово-механические эффекты, управляющие когерентными колебаниями», — говорит старший автор профессор Мунеаки Хасе, который проводил эксперименты. «Таким образом, проект представляет собой первый шаг к доступным потребительским квантовым компьютерам».