Двухкубитный квантовый вентиль — простейший элемент квантового компьютера: он позволяет генерировать квантовую запутанность между двумя кубитами. К сожалению, суперпозиции кубитов очень чувствительны к внешним возмущениям. Чтобы обойти проблему, ученые пытаются создавать все более быстрые квантовые вентили. Команда из Института молекулярных наук в Окадзаки, Япония, только что побила новый рекорд в этой области благодаря новой методике.

Квантовый компьютер использует квантовые свойства материи для выполнения операций с данными, включая концепцию суперпозиции состояний: основные единицы информации, кубиты, могут находиться в нескольких состояниях одновременно, что известно как квантовая суперпозиция — что отличает их от традиционных битов, используемых в вычислениях, которые могут нести строго значение 0 или 1. Эта суперпозиция особенно чувствительна к окружающей среде; она быстро разрушается, и малейшее взаимодействие приведет к изменению состояния и, следовательно, к ошибкам в расчетах.

Чтобы ограничить эти последствия, одним из решений может быть ускорение квантовых вентилей. Возмущения, наблюдаемые в ходе экспериментов, составляют микросекунды; поэтому квантовый вентиль быстрее, чем это, теоретически сможет «перекрыть» ложный шум для выполнения вычислений. Для этого физик Йелай Чу и его коллеги построили квантовые вентили из крупных атомов, известных как атомы Ридберга.

Самые быстрые в мире двухкбитовые вентили

Атомы Ридберга с их огромными электронными орбиталями демонстрируют диполь-дипольное взаимодействие, достигающее гигагерцового диапазона на расстоянии одного микрометра, что делает их основными кандидатами для выполнения сверхбыстрых квантовых операций. «Такие сильные взаимодействия между двумя одиночными атомами никогда ранее не использовались из-за жестких требований к флуктуирующим атомным позициям и необходимой возбуждающей силе«, — отмечают исследователи.

Кубиты, используемые в этом эксперименте, представляют собой атомы рубидия в газообразном состоянии. Исследователи охладили их почти до абсолютного нуля (чтобы обездвижить), затем расположили их на очень точном расстоянии друг от друга (порядка микрометра) с помощью голографического оптического пинцета. Затем они применили сверхкороткие (10 пикосекунд) лазерные импульсы для одновременного возбуждения пары этих близлежащих атомов в состояние, подобное состоянию Ридберга.

Схема кубита с использованием атомов рубидия.

Когда атомы облучались лазерными импульсами, два электрона, захваченные соответственно на самых маленьких орбиталях (обозначаются 5p, ближайшие к атомному ядру) двух соседних атомов (обозначаются атом 1 и атом 2), проецировались на гигантские электронные орбитали (ридберговские орбитали, обозначаются здесь 43D). Электронное состояние 5p является состоянием «0», а электронное состояние 43D — состоянием «1»; атомы 1 и 2 были подготовлены как кубиты 1 и 2, соответственно. Затем взаимодействие между этими гигантскими атомами привело к двустороннему обмену формой орбиталей и энергией электронов, происходящему с периодом 6,5 наносекунды.

Таким образом, исследователям удалось создать вентиль с двумя кубитами, называемый «управляемым вентилем Z» (или вентилем CZ), который представляет собой операцию, инвертирующую квантовую суперпозицию первого кубита с 0 +1 на 0 -1 в зависимости от состояния (0 или 1) второго кубита. Этот тип вентиля обычно легко деградирует под воздействием внешних шумов — особенно тех, которые присущи рабочему лазеру. Но на этот раз исследователи побили рекорд по скорости: их квантовые вентили работают всего за 6,5 наносекунды! Это более чем на два порядка быстрее, чем окружающий шум, поэтому эффект можно игнорировать, отмечает команда.

Принцип работы квантовых вентилей. Когда атом 1 находится в состоянии «0», ничего не происходит. Когда атом 1 находится в состоянии «1», знак суперпозиции атома 2 меняется с положительного на отрицательный. Эта операция лежит в основе алгоритма, который работает на квантовых компьютерах.

Предыдущий мировой рекорд составлял 15 наносекунд, достигнутый Google AI в 2020 году с помощью сверхпроводящих цепей, говорится в заявлении команды.

Атомы являются естественными квантовыми системами, поэтому они могут легко хранить кубиты. В массивах холодных атомов, каждый из которых хорошо изолирован от окружающей среды и независим от других, время когерентности кубита — время, в течение которого сохраняется квантовая суперпозиция — может достигать нескольких секунд (что намного выше, чем в квантовых системах на основе сверхпроводников или захваченных ионов).

В результате платформы холодных атомов являются одними из самых перспективных кандидатов на создание аппаратного обеспечения для квантовых вычислений и в настоящее время привлекают внимание промышленности, университетов и правительств по всему миру. Они превосходят некоторые ограничения сверхпроводящих и ионно-ловушечных квантовых компьютеров, которые в настоящее время являются самыми передовыми типами квантовых компьютеров. Для дальнейшего совершенствования своей квантовой архитектуры Чу и его коллеги планируют заменить используемый ими лазер на еще более точный.