Разработан квантовый компьютер, основанный на принципах игры в теннис

Ученые из Принстонского университета и Института квантовых соединений (Joint Quantum Institute) заявили о разработке так называемой «квантовой шины» (quantum bus), которая, по их мнению, является важным шагом на пути к практической реализации квантового компьютера. С помощью квантовой шины можно будет организовать сложные вычисления на квантовых процессорах.
Кубиты, в отличие от классических битов, могут быть одновременно в состояниях 0 и 1.

Такое их свойство, называемое суперпозицией, даёт им преимущества перед традиционными компьютерами в некоторых типах вычислений. Но эти квантовые состояния очень хрупкие, что делает сложным выполнение таких базовых операций, как коммуникация кубитов между собой (квантовая связь).
Для организации подобной связи необходимо передать информацию с одного кубита на другой. Для этого существуют два ключевых способа. Первый использует эффект спин-орбитального взаимодействия, то есть зависимость спина электрона от его движения. Второй подход основан на квантовой электродинамике цепей (cQED, circuit quantum electrodynamics), которая основывается на известных законах атомной физики и квантовой оптики.
Квантовая электродинамика цепей позволяет пространственно разделённым сверхпроводимым кубитам взаимодействовать через сверхпроводимый СВЧ-резонатор, который обеспечивает запутывание кубитов и реализацию простых квантовых алгоритмов. В своей работе ученые объединили архитектуру cQED с эффектом спин-орбитального взаимодействия путём соединения нанонити из арсенида индия, включающей двойную квантовую точку, со сверхпроводящим резонатором. Эту гибридную систему они назвали квантовой шиной.

«Для того чтобы связать кубиты, мы должны быть в состоянии переместить информацию об одном из них на другой», говорит физик NIST Джейкоб Тейлор. «Для этого есть несколько способов, и обычно они включают механизмы, требующие быстрого передвижения самих частиц, что очень трудновыполнимо без дестабилизации их спинов, которые являются носителями информации. Также возможен вариант передачи информации о спинах посредством света. В то время как этот механизм проще, чем перемещение самих частиц, взаимодействие между светом и веществом, как правило, очень слабое».

Тейлор говорит, что мы можем думать о механизме, разработанном его командой, как об игре в парный теннис.

«Тот факт, сможет ли команда вернуть подачу или нет, полностью зависит от того, насколько хорошо и слаженно все ее члены играют вместе», говорит Тейлор. «Если они дополняют друг друга, и один из них играет на передней половине корта, а другой — на задней половине, они смогут отбить подачу и вернуть мяч другой команде игроков. Если они оба пытаются играть на передней половине корта или на задней его части, они не смогут вернуть подачу, и мяч будет пролетать мимо них. Аналогично, если спины электронов дополняют друг друга (являются комплементарными), их поле будет влиять на поле фотона, когда тот проходит мимо, и фотон будет нести информацию о спинах электронов к другим кубитам. Когда спины не связаны, они не будут влиять на фотон, и на другие кубиты не будет поступать никакой информации».

«Квантовая шина», созданная командой экспертов из Объединенного института квантовой физики и Принстонского университета, является гибридной системой, которая сочетает две известных науке квантовых технологий — спин-орбитальные кубиты и принципы построения контуров на базе квантовой электродинамики (circuit quantum electrodynamics; QED) — а также некоторые доработки. Спин-орбитальные кубиты представляет собой пару квантовых точек ** из арсенида индия, которые были разработаны с целью создания сильной связи между спинами электронов, оказавшихся в ловушке внутри квантовой точки, и позицией электрона в квантовой точке. Это, в свою очередь, позволяет магнитному полю кубита, содержащему спины, соединяться с полями микроволновых фотонов, проходящих через подключенный к контуру сверхпроводящий резонатор.

Подобная структура дает возможность информации о спинах кубитов быть переданной в микроволновый резонатор, которая при внесении некоторых дополнительных модификаций может быть передана другому кубиту.

Схема гибридной системы. Обратите внимание на герб Принстонского университета (Принстонский тигр). Его длина от головы до хвоста составляет всего лишь 1 мм. Спин-орбитальные кубиты находятся на стыке семи управляющих электродов.

Спин-орбитальные кубиты представляют собой пару индиево-арсенидных квантовых точек, которые были созданы для обеспечения сильной квантовой связи между спинами электронов, пойманных в квантовой точке. Это, в свою очередь, позволяет связать магнитное поле кубита с полем СВЧ-фотона, путешествующего через сверхпроводящий резонатор. Предложенная структура квантовой шины позволяет передавать информацию про спины кубитов СВЧ-резонатору, который затем может направить её другому кубиту.
Кроме того, сильная спин-орбитальная связь позволяет управлять вращениями спинов электрически с помощью локального электрода затвора, а связь заряд-резонатор обеспечивает возможность измерения динамики спина. Результаты работы также показывают, как квантовая шина может использоваться для высокочувствительного исследования физики одиночного спина и стойкого связывания спинов через сверхпроводящие СВЧ-резонаторы.

Объединенный институт квантовой физики был основан совместными усилиями Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology; NIST) и Мэрилендского университета в Колледж-Парке (University of Maryland College Park).