В MIT разработан способ наблюдать за квантовыми вычислениями, не нарушая их суперпозиции

В основе квантовых вычислений лежит возможность «кубитов», атомарных строительных блоков квантовых компьютеров, иметь одновременно более одного физического состояния. Это явление известно как суперпозиция, и это именно то, что наделяет квантовые компьютеры их захватывающими возможностями.

На этой неделе исследователи из MIT представили новый подход к созданию квантовых компьютеров. Он связан с использованием синтетических алмазов и позволяет работать с квантовыми компьютерами, получая более предсказуемый результат.

Одна из самых больших проблем квантовых вычислений — поддержание стабильности. Во многих других областях управление осуществляется с обратной связью — исследователи измеряют текущее состояние и по мере необходимости вносят коррективы в работу, чтобы поддерживать работу системы.

Но проблема квантового мира в том, что измерение состояния мира — необходимая часть процесса работы — разрушает суперпозицию. Таким образом, в этой области исследователям традиционно приходится обходиться без обратной связи, на которую было бы можно положиться.

Новое исследование описывает систему управления и обратной связи для поддержания квантовой суперпозиции, которая не требует измерения. Вместо этого используется то, что известно как азото-замещённая вакансия в алмазе.

«Вместо того, чтобы использовать для осуществления обратной связи классический контроллер, мы теперь используем квантовый контроллер», — рассказал Паола Каппелларо, доцент кафедры ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте. «Поскольку контроллер сам является квантовым, нам не требуется делать измерения, чтобы знать, что происходит».

Чистый алмаз состоит из атомов углерода, расположенных в виде регулярной решетчатой структуры. Если ядро ​​углерода отсутствует в решетке на месте, где должно было быть, это место считается «вакансией». Если атом азота занимает место поблизости с вакансией, то получается так называемый NV-центр, или азото-замещённая вакансия в алмазе.

При воздействии сильного магнитного поля — в этом случае постоянный магнит расположен над алмазом — электронный спин NV-центра может быть направлен вверх, вниз или сразу в обе стороны — это и есть квантовая суперпозиция. В этом и заключается роль атома в квантовых вычислениях.

Сначала доза микроволн ставит спин атома в суперпозицию. Затем взрыв радиочастотного излучения ставит ядро ​​азота в указанное спиновое состояние. Вторая доза микроволнового излучения, не такая мощная, «запутывает» спин ядра азота и NV-центр таким образом, чтобы они стали зависимы друг от друга.

Итак, система позволяет квантовому биту около азото-замещенной вакансии оставаться в суперпозиции примерно в 1000 раз дольше, чем это было возможно раньше. Это означает, что теперь работа квантовых компьютеров стала нам ближе, чем когда бы то ни было.

Документ с подробными описанием работы системы был опубликован на сайте журнала Nature.