Масштабируемый универсальный квантовый компьютер возможен?

Когда дело доходит до распознавания сложных образов или декодирования зашифрованных сообщений, обычные компьютеры работают на пределе своих возможностей.

От технологии, которая использует особые свойства квантовых частиц, такие как суперпозиция и зацепление, ожидают качественный скачок в передаче и обработке данных. Ученые всего мира используют различные концепции для разработки такого квантового компьютера. Проф. Герхард Ремпе (Gerhard Rempe), директор Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) и глава Отдела квантовой динамики, следует стратегии объединения двух разнородных методов: квантовой связи на базе фотонов и обработки информации с использованием стационарных атомов. Его команда впервые реализовала квантовый логический вентиль между единичным фотоном и одним атомом. Развитие этого гибридного устройства может стать важной вехой на пути к масштабируемым и универсальным квантовым компьютерам.

Любой современный компьютер работает в соответствии с математическим принципом, который был разработан немецким математиком-эрудитом Готфридом Вильгельмом Лейбницем более 300 лет назад: информация может быть закодирована в двоичной системе счисления и обрабатываться с помощью применения логических операторов. Логические вентили основаны на этом принципе. Они генерируют детерминированные выходные сигналы для любой комбинации входных сигналов в соответствии с так называемой таблицей истинности. В настоящее время компьютеры содержать многие миллионы логических вентилей в виде электронных схем.

В данном эксперименте двоичные состояния 0 и 1 были представлены двумя ориентациями спина атома (вверх или вниз) и двумя состояниями поляризации фотона (левой или правой круговой), соответственно. В отличие от классических битов, эти "квантовые биты" могут находиться в когерентной суперпозиции двух состояний. Для того чтобы реализовать квантовый вентиль, атом захватывается в ловушку, образованной полостью высокодобротного зеркального резонатора. Свойства резонатора выбраны таким образом, что атом и резонатор образуют сильно связанную систему. Кванты света получают с помощью слабых лазерных импульсов, содержащих менее одного фотона в среднем.

В более раннем эксперименте было показано, что при правильном выборе параметров, кванты света всегда отражаются. Важно то, что для некоторых комбинаций атомных и фотонных состояний входов фотоны отражаются на первом зеркале. Для других комбинаций, однако, они сначала попадают в полость резонатора, а затем покидают его тем же путем. Таким образом, они испытывают фазовый сдвиг на 180 градусов. «Этот фазовый сдвиг является необходимым условием для реализации таблицы истинности, которая детерминированным образом формирует выходные сигналы для любой комбинации входных битов, подобно классическому логическому вентилю», – объясняет д-р Стефан Риттер (Stephan Ritter).

В эксперименте измерялись как поляризация отраженных фотонов, так и ориентация спина атома на выходе вентиля. В настоящее время достигнут КПД около 70%. При дальнейшем улучшении параметров зеркала это значение может быть существенно улучшено.

Эти измерения продемонстрировали, что гибридные системы атом-фотон могут действовать как классический логический элемент. Однако основным преимуществом квантового вентиля по сравнению с классическим является его способность генерировать зацепленные состояния из отдельных входных состояний. Для того чтобы проверить это специфическое поведение, ученые выбрали комбинацию входных битов таким образом, чтобы получить зацепленное состояние атома и фотона на выходе вентиля. Результат оправдал ожидания.

Последовательно отправляя два лазерных импульса в систему, физики могли даже добиться зацепления между атомом и двумя фотонами. При тонкой манипуляции с атомом на втором шаге он мог быть отцеплен, при этом два фотона оставались в зацеплении. Это показывает универсальность механизма вентиля, который обеспечивает взаимодействие между двумя фотонами. Этот механизм должен также позволять генерировать кластер зацепленных состояний, который состоит из атома и нескольких фотонов.

Разработка этого гибридного квантового логического элемента может быть значительным шагом на пути к универсальному квантовому компьютеру. «Квантовая связь с помощью фотонов и обработка данных на базе атомов или ионов до сих пор рассматривались как отдельные области исследований, - сказал проф. Ремпе. - В нашем эксперименте мы объединили оба метода. В частности, наш квантовый вентиль может быть легко реализован в сети, в которой атомы служат стационарными узлами для хранения информации, в то время как фотоны передают информацию между этими узлами. Таким образом мы надеемся внести свой вклад в реализацию масштабируемого квантового компьютера».

Центральная часть экспериментальной установки: один атом захватывается в ловушку в узкий зазор между двумя отражающими зеркалами (голубой свет), которые образуют оптический резонатор. Отражение одиночных фотонов от резонатора реализует квантовую логическую операцию между атомом и фотонами