Более простая конструкция квантовых компьютеров – предложена исследователями

Эти проблемы побудили исследователей изучить возможность создания квантовых компьютеров, работающих с использованием фотонов – частиц света. Фотоны могут легко переносить информацию из одного места в другое, а фотонные квантовые компьютеры могут работать при комнатной температуре, поэтому этот подход является многообещающим.

Однако, хотя люди успешно создали отдельные квантовые «логические ворота» для фотонов, сложно построить большое количество вентилей и надежно соединить их для выполнения сложных вычислений.

Теперь исследователи Стэнфордского университета предложили более простую конструкцию фотонных квантовых компьютеров с использованием легко доступных компонентов. согласно статье, опубликованной 29 ноября в ОПТИЧЕСКИЙ. В их предлагаемой конструкции используется лазер для управления одиночным атомом, который, в свою очередь, может изменять состояние фотонов с помощью явления, называемого «квантовой телепортацией». Атом можно сбросить и повторно использовать для многих квантовых вентилей, устраняя необходимость в создании нескольких отдельных физических вентилей, что значительно снижает сложность построения квантового компьютера.

«Обычно, если вы хотите построить такой тип квантового компьютера, вам придется взять потенциально тысячи квантовых излучателей, сделать их все совершенно неразличимыми, а затем интегрировать их в гигантскую фотонную схему», – сказал Бен Бартлетт, доктор философии. Д. кандидат прикладной физики, ведущий автор статьи. «Принимая во внимание, что с этим дизайном нам понадобится всего несколько относительно простых компонентов, а размер машины не увеличивается с размером квантовой программы, которую вы хотите запустить».

Эта удивительно простая конструкция требует всего нескольких единиц оборудования: оптоволоконного кабеля, светоделителя, пары оптических переключателей и оптического резонатора.

К счастью, эти компоненты уже существуют и даже имеются в продаже. Они также постоянно совершенствуются, поскольку в настоящее время используются не только в квантовых вычислениях, но и в других приложениях. Например, телекоммуникационные компании годами работают над улучшением оптоволоконных кабелей и оптических переключателей.

«То, что мы предлагаем здесь, основано на усилиях и инвестициях, которые люди вложили в улучшение этих компонентов», – сказал Шанхуэй Фань, профессор Школы инженерии Джозефа и Хон Май Гудмана и старший автор статьи. «Это не новые компоненты специально для квантовых вычислений».

Новый дизайн

Конструкция ученых состоит из двух основных частей: накопителя и рассеивателя. Накопительное кольцо, которое функционирует аналогично памяти в обычном компьютере, представляет собой оптоволоконную петлю, удерживающую несколько фотонов, перемещающихся по кольцу. По аналогии с битами, хранящими информацию в классическом компьютере, в этой системе каждый фотон представляет собой квантовый бит или «кубит». Направление движения фотона вокруг накопительного кольца определяет значение кубита, которое, как и бит, может быть 0 или 1. Кроме того, поскольку фотоны могут одновременно существовать в двух состояниях одновременно, отдельный фотон может течь в обоих направлениях одновременно. , который представляет собой значение, которое является комбинацией 0 и 1 одновременно.

Исследователи могут управлять фотоном, направляя его из накопительного кольца в рассеивающее устройство, откуда он попадает в полость, содержащую единственный атом. Затем фотон взаимодействует с атомом, заставляя их «запутаться» – квантовое явление, при котором две частицы могут влиять друг на друга даже на больших расстояниях. Затем фотон возвращается в накопительное кольцо, и лазер изменяет состояние атома. Поскольку атом и фотон запутаны, манипулирование атомом также влияет на состояние его парного фотона.

«Измеряя состояние атома, вы можете телепортировать операции на фотоны», – сказал Бартлетт. «Таким образом, нам нужен только один управляемый атомный кубит, и мы можем использовать его в качестве прокси для косвенного управления всеми другими фотонными кубитами».

Поскольку любой квантовый логический вентиль может быть скомпилирован в последовательность операций, выполняемых над атомом, вы, в принципе, можете запустить любую квантовую программу любого размера, используя только один управляемый атомный кубит. Для запуска программы код преобразуется в последовательность операций, которые направляют фотоны в блок рассеяния и манипулируют атомным кубитом. Поскольку вы можете контролировать взаимодействие атома и фотонов, одно и то же устройство может запускать множество различных квантовых программ.

«Для многих фотонных квантовых компьютеров воротами являются физические структуры, через которые проходят фотоны, поэтому, если вы хотите изменить работающую программу, это часто включает в себя физическую реконфигурацию оборудования», – сказал Бартлетт. «Тогда как в этом случае вам не нужно менять оборудование – вам просто нужно дать машине другой набор инструкций».