Физики Дармштадта разработали метод, который может преодолеть одно из самых больших препятствий в создании практически значимого квантового компьютера. Здесь используется оптический эффект, обнаруженный пионером британской фотографии Уильямом Талботом в 1836 году. Группа под руководством Малте Шлоссера и Герхарда Биркла из Института прикладной физики Технического университета Дармштадта сообщает об этом успехе в журнале Physical Review Letters.
Квантовые компьютеры способны решать определенные задачи намного быстрее, чем даже суперкомпьютеры. Однако до сих пор были только прототипы с максимум несколькими сотнями «кубитов». Это основные единицы информации в квантовых вычислениях, соответствующие «битам» в классических вычислениях. Однако, в отличие от битов, кубиты могут обрабатывать два значения «0» или «1» одновременно, а не одно за другим, что позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений параллельно.
Квантовые компьютеры с многими тысячами, если не несколькими миллионами кубитов, потребуются для практических приложений, таких как оптимизация сложных потоков трафика. Однако добавление кубитов потребляет ресурсы, такие как мощность лазера, что до сих пор препятствовало развитию квантовых компьютеров. Команда Дармштадта показала, как можно использовать оптический эффект Тальбота для увеличения количества кубитов с нескольких сотен до более десяти тысяч, не требуя пропорционально дополнительных ресурсов.
Кубиты могут быть реализованы по-разному. Технологические гиганты, такие как Гугл, например, используют искусственно изготовленные сверхпроводящие элементы схемы. Однако для этой цели отлично подходят и отдельные атомы. Чтобы управлять ими целенаправленно, одноатомные кубиты должны располагаться в регулярной решетке, похожей на шахматную доску.
Физики обычно используют для этого «оптическую решетку» из правильно расположенных световых точек, которая образуется при пересечении лазерных лучей. «Если вы хотите увеличить количество кубитов на определенный коэффициент, вы также должны соответственно увеличить мощность лазера», объясняет Биркл.
Его команда производит оптическую решетку инновационным способом. Они светят лазером на стеклянный элемент размером с ноготь, на котором расположены крошечные оптические линзы, похожие на шахматную доску. Каждая микролинза связывает небольшую часть лазерного луча, тем самым создавая плоскость фокальных точек, которая может удерживать атомы.
Теперь сверху возникает эффект Тальбота, который до сих пор считался помехой: слой фокальных точек повторяется многократно через равные промежутки времени; создается то, что известно как «самообразы». Таким образом, оптическая решетка в 2D становится решеткой в 3D, состоящей во много раз из световых точек. «Мы получаем это бесплатно», говорит ведущий автор работы Мальте Шлоссер. Он имеет в виду, что для этого не требуется никакого дополнительного выхода лазера.
Высокая точность изготовления микролинз приводит к очень регулярно расположенным самообразам, которые можно использовать для кубитов. Исследователи действительно смогли загрузить дополнительные слои отдельными атомами. При заданной мощности лазера было создано 16 таких свободных слоев, что потенциально позволяет использовать более 10 тыс. кубитов. По словам Шлоссера, в будущем можно будет использовать обычные лазеры, чтобы в четыре раза увеличить мощность.
«Поле микролинз также можно дополнительно оптимизировать», объясняет Биркл, «например, путем создания большего количества фокусных точек с линзами меньшего размера. Таким образом, в обозримом будущем возможны 100 тыс. кубитов и более. Масштабируемость количества кубитов, продемонстрированная командой, представляет собой важный шаг на пути к разработке реальных квантовых компьютеров.
Шлоссер подчеркивает, что технология не ограничивается квантовыми компьютерами. «Наша платформа также потенциально может быть применима к высокоточным оптическим атомным часам». Команда Дармштадта планирует дальнейшее развитие своей новой платформы кубитов и предусматривает множество возможных приложений в области квантовых технологий.
