16.11.2013

Квантовое состояние удалось удержать почти сорок минут

Международная группа учёных под руководством известного физика Майка Тевольта из университета имени Саймона Фрейзера в рамках нового эксперимента повысила температуру квантовой системы, в которой кодировка информации происходит в ядрах атома фосфора на кремниевой пластине. Установленная в ходе опыта температура составила двадцать пять градусов по цельсию против минус двухсот семидесяти градусов, при которых обычно проводятся испытания квантовых систем. Результаты были впечатляющими. Состояние суперпозиции длилось на протяжении тридцати девяти минут при комнатной температуре. Для того, чтобы понять важность результатов такого опыта, следует вспомнить, что ранее проводимые подобные эксперименты позволяли удерживать состояние суперпозиции лишь две с небольшим секунды при такой же температуре. Так что группа Саймона Фрейзера установила абсолютный рекорд в области квантовых вычислений. Подобный результат ещё больше приближает день открытия сверхбыстрых вычислительных машин, способных одновременно проводить несколько вычислительных операций.

Как известно, в обычных современных компьютерах для вычислительных операций используются биты, которые принимают значение 0 или 1. Квантовые компьютеры для вычисления смогут использовать кубиты, находящиеся в состоянии суперпозиции. При таком состоянии они могут одновременно принимать значения как 0, так и 1. Это означает, что компьютер будет производить несколько вычислительных операций в одну единицу времени, что значительно укорит получение конечного результата.

В ходе исследования учёные отметили ещё одну полезную особенность: при повышении температуры кубиты становятся управляемыми. А вот при повторном понижении температуры, единицы квантовой информации продолжают поддерживать стабильное состояние.

Соавтор исследования, Стефани Симмонс с факультета материаловедения оксфордского университета пояснил, что полученные тридцать девять минут стабильной суперпозиции лишь кажутся небольшим сроком, поскольку для смены направленности спина в ядрах иона фосфора (что позволит запустить квантовые вычисления), необходима лишь одна стотысячная доля секунды. Симмонс отметил, что теоретически можно провести около двух десятков миллионов операция за время, необходимое для естественного распада суперпозиции лишь на 1%. Симменс считает, что это даёт реальную надежду на возможность конструирования действительно мощных квантовых компьютеров.

Сам эксперимент начинался с того, что учёные взяли легированный несколькими различными элементами (в том числе, фосфором) кусок кремния. В ядрах атомов фосфора была закодирована квантовая информация.

Как известно, каждое ядро обладает своей собственной квантовой характеристикой, которую называют спином. Спин сравним с маленьким магнитом, который помещён в магнитное поле. Такой магнит может условно указывать вверх (значение 0), или вниз (значение 1), либо же он может находится в любом другом направлении, тем самым представляя собой суперпозицию состояний. В таком случае магнит будет одновременно означать как 0, так и 1.

Образец изготавливался при температуре, выше абсолютного минимума лишь на четыре градуса. Сразу после изготовления был помещён в магнитное поле. С помощью дополнительных магнитных полей учёным удалось создать состояние суперпозиции и изменить направление спинов ядер. При температуре в минус двести семьдесят градусов по цельсию спины почти 40 процентов всех ионов по оставались в состоянии суперпозиции на протяжении трёх часов. Однако при повышении температуры до двадцати пяти градусов, показатель стабильности суперпозиции уменьшился и составил лишь 39 минут, что, однако, всё равно является абсолютным рекордом в такого рода экспериментах.

Симмонс считает, что учёным удалось сделать из ряда вон выходящее открытие, поскольку учёным удалось создать действительно высокопроизводительные кубиты.

Ожидается, что следующий этап будет даже более трудным, нежели первый, поскольку в нашем случае практически десять миллиардов ионов фосфора были в одном состоянии, а для выполнения расчётов необходимо большое количество кубитов в различных состояниях.