Поймать и запутать: Вычислительные ионы
Несмотря на постоянно возрастающее быстродействие современных компьютеров, с их помощью можно решить не все вычислительные задачи. Квантовые компьютеры могли бы помочь преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических ЭВМ. Использование элементов, называемых «кубитами», способно обеспечить квантовые компьютеры поистине огромной вычислительной мощностью. Если транзисторы, используемые в современных компьютерах, могут находиться только в двух состояниях («0» и «1»), то для кубитов существует и суперпозиция этих состояний. Возможность «запутывания» кубитов между собой также предоставляет возможности реализации более эффективных вычислительных схем.
Подробнее о принципах, которые в будущем могут лечь в основу квантовых вычислений, Популярная Механика писала в статье «Женская логика: Квантовый компьютер».
«Хотя до практической реализации идеи квантового компьютера, возможно, придется ждать еще несколько десятилетий, проводимые сегодня исследования лягут в основу будущих устройств, позволяя преодолеть огромный разрыв между теорией и практикой квантовой обработки информации», — говорит Дик Слашер (Dick Slusher), главный научный сотрудник Научно-исследовательского института технологий в штате Джорджия (Georgia Tech Research Institute — GTRI).
Использование в качестве кубитов захваченных в ловушки ионов — один из путей к созданию квантовых компьютеров. Однако в настоящее время объединение квантовых ловушек в массив является непростой проблемой, а без этого невозможно создание квантового компьютера, пригодного для решения практических задач.
Исследователи GTRI спроектировали, построили и испытали плоские ионные ловушки, которые можно легко объединить в массив. Эти устройства используют комбинацию радиочастотных сигналов и статических напряжений на алюминиевых электродах, уложенных слоями на кремниевые пластины.
«Плоская геометрия ионных ловушек предпочтительна, поскольку такие устройства являются масштабируемыми под более крупные системы ионов, а также обеспечивают лучший доступ для лазеров по сравнению с другими разработанными на данный момент ловушками», — говорит Чарли Доре (Charlie Doret), один из разработчиков устройства.
Лазеры применяются для того, чтобы «запутать» ионы между собой, обеспечив таким образом корреляцию их свойств. Используя систему захваченных в ловушки ионов, исследователи смогли сохранить состояние их кантовой запутанности на протяжении длительного времени, что было подтверждено измерениями. Однако на сегодняшний день удалось одновременно «запутать» между собой максимум восемь ионов кальция, тогда как для выполнения расчетов, недоступных классическим компьютерам, требуется по крайней мере 30 взаимодействующих на квантовом уровне ионов. Увеличение числа «запутанных» между собой ионов — основная задача на будущее, которую ставят перед собой исследователи.
Команда GTRI использовала современные методы компьютерного моделирования электромагнитных полей и движения «пойманных» этими полями ионов, чтобы разработать универсальную ловушку, способную удерживать большое число частиц. Для дальнейшего улучшения конструкции ловушек были использованы генетические алгоритмы, позволившие выявить взаимосвязь между конфигурацией электродов ловушки и особенностями её работы, что позволило оптимизировать глубину ловушки и уменьшить её нагрев при перемещении ионов из одной зоны ловушки в другую.
Совместно с исследователями из Дюкского университета (Duke University) команда GTRI разработала систему интеграции оптики непосредственно в ионную ловушку, а ученые из Массачусетского технологического института (MIT) провели тесты устройства в криогенных условиях.
«Нам предстоит еще многое узнать о квантовых системах, их взаимодействии и способах объединения, об управлении этими системами, особенностях поиска и исправления неизбежных ошибок», — говорит Дик Слашер. Дальнейшая работа будет направлена на тестирование разработанных ловушек и создание новых — таких как линейные ловушки, оптимизированные для удержания длинных цепочек из ионов.
По пресс-релизу Georgia Tech