Российские учёные близки к созданию кубитов-матрёшек / «Заблудившиеся электроны» помогут создать квантовый компьютер
Российские учёные приблизили создание кубитов-матрёшек. Они могут стать гораздо легче и дешевле существующих схем для создания квантовых компьютеров / «Умная Россия» / декабрь, 2016
«Русская планета» поддерживает российские инновации. Предлагаем нашим читателям актуальные новости от российских разработчиков высоких технологий. Наши открытия, наши продукты, наши герои новой технологической революции! ©
Ещё в «Умной России», а также «Сделано русскими»
___
Российские ученые, из Физико-технологического института РАН и МФТИ разработали элемент квантового компьютера. Своему новшеству специалисты дали название «суперкубит». Он заключается из квантовых битов, которые еще называются кубитами.
По заявлениям специалистов, квантовые компьютеры являются необычными вычислительными системами, способными к решению массы сложнейших задач, однако больше всего они отличаются тем, что умеют с высокой скоростью и действенностью взламывать системы шифрования, используемые во многих браузерах. В теории, они могут моделировать процессы, которые для обычных компьютеров слишком сложные, и в предстоящем станут полезными в создании лекарственных препаратов нового типа, солнечных батарей высокой эффективности и так деле.
Кубит является главной, своего рода элементарной частицей квантового компьютера. Теоретически ученые соображают, как должна работать такая вычислительная система, однако на практике многое пока не испытывалось, так как технологический прогресс еще не разрешает этого сделать.
Трудность состоит в неустойчивости кубитов, и экспертам получилось создать кудит – кубит-матрешку, который обладает одновременно всеми свойства обычных элементарных частиц квантового компьютера. По заявлениям ученых, их открытие позволит добиться создания полноценного суперкомпьютера не через тысячи лет, как могло случиться, если бы не их изобретение, а намного раньше.
Фото: МФТИ
Российские учёные приблизили создание кубитов-матрёшек
Новые системы обещают быть намного проще и дешевле существующих схем создания квантовых компьютеров
Учёные из Физико-технологического института РАН и МФТИ создали необычный элемент квантового компьютера — своего рода "суперкубит", который включает в себя несколько обычных кубитов (квантовых битов). Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports. ©
Квантовые компьютеры — необычные системы для вычислений. Потенциально они могут решать множество задач, однако одно из их главных и проверенных на практике свойств — способность быстро взломать самые распространённые системы шифрования, используемую в распространённых браузерах. В теории ими можно моделировать процессы, слишком сложные для обычных компьютеров — взаимодействия между частицами и тому подобное. Считается, что это приведёт к созданию высокоэффективных солнечных батарей и новых лекарств.
Основой квантового компьютера, его "элементарной частицей" является кубит. Он, как и бит в обычном компьютере, допускает два собственных состояния (у бита это "ноль" и "единица"). Но, в отличие от него, кубит может быть в суперпозиции: его значения могут быть равны не нулю или единице, а паре комплексных чисел, лежащих между нулём и единицей. Если суперпозиции нет, то значение кубита равно не паре комплексных числе, а нулю или единице и тогда он автоматически теряет статус квантового бита, становясь обычным битом.
К сожалению, до решения описанных выше задач с помощью квантовых компьютеров на практике пока далеко. Чтобы квантовый компьютер имел реальное применение, он должен состоять из нескольких сотен, а то и тысяч кубитов. Однако связь между существующими кубитами пока предельно неустойчива: имеющиеся квантовые структуры сверхчувствительны к внешним помехам, в отличие от транзисторов классических компьютеров. Несколько кубитов взаимодействуют нормально, лишь если их охлаждать жидкими газами.
___
Чтобы решить проблему, научная группа Федичкина из МФТИ ранее показала, что в качестве кубита можно использовать частицу, "заблудившуюся в двух соснах". Роль "сосен" играют связанные квантовые точки. Так называют очень маленькие кусочки полупроводников, которые играют роль "ям" для электрона. Когда электрон попадает в одну из них, он задаёт базовое состояние кубита: |0⟩, если он в левой квантовой точке, и |1⟩, если в правой. При этом электрон с точки зрения работающего с кубитом оператора размазывается по ямам и занимает определённое положение, только если измерить его координаты. Это значит, что он находится в состоянии суперпозиции и пригоден для квантовых вычислений.
Теперь Алексей Мельников и Леонид Федичкин предложили запустить в кольцо из квантовых точек два электрона. Это создаст между ними квантовую сцеплённость и даст возможность получить сразу два связанных кудита. Кудитами называют кубиты-"матрёшки", имеющие свойства сразу нескольких кубитов. Квантовая сцепленность, или запутанность, достигается за счёт того, что одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Можно получить и больше связанных кудитов в том же объёме полупроводника, если запускать в него ещё больше электронов и создавать из квантовых точек более извилистые пути. Преимуществом такого способа является то, что квантовые блуждания частиц — это естественный процесс.
Однако и здесь есть свои сложности. Дело в том, что сцепленность частиц надо уметь отделять от так называемой ложной сцепленности. Она может возникать между невзаимодействующими электронами и делать работу системы некорректной. В этот раз учёные провели математические расчёты для двух случаев: когда взаимодействие есть и когда его нет. При этом они научились отличать истинную сцепленность от ложной. Физики рассмотрели, как меняется во времени вероятностная картина взаимодействия для двух связанных кудитов с тремя, четырьмя, пятью и шестью разрядами в каждом. Оказалось, что предложенная ими структура обладает относительной устойчивостью, а небольшой шум даже способствует созданию высокоразрядных компактных элементов (число разрядов равно числу кубитов, заложенных в кудит-матрёшку).
Работа российских учёных показывает довольно практичный способ реализации квантовых компьютеров без сложностей, неизбежных в чисто кубитовых схемах. Если на основе подобных кудитов удастся построить масштабные системы, решение ряда задач на суперкомпьютерах вместо тысяч лет будет занимать довольно умеренное время.
Модель атома
"Заблудившиеся электроны" помогут ученым из РФ создать квантовый компьютер
Физики из МФТИ и физико-технологического института РАН создали новый тип ячеек памяти для квантовых компьютеров, способных хранить в себе необычно много информации, научившись управлять поведением "заблудившихся" электронов, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports. ©
"На примере двух электронов мы разрешили проблемы, которые возникают при рассмотрении одинаковых взаимодействующих частиц, и вот проторена дорога к тому, чтобы создавать компактные высокоразрядные квантовые структуры", — рассказывает Леонид Федичкин из Московского физико-технического института в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.
Как рассказывал РИА "Новости" Алексей Устинов, физики быстро научились изготовлять одиночные кубиты, способные жить достаточно долго для ведения вычислений. С другой стороны, попытки объединить несколько кубитов сталкиваются сегодня с большими трудностями из-за того, что записать и считать данные из них не так просто, как изначально казалось.
По этой причине, многие ученые, в том числе Федичкин и его коллеги, сегодня идут иным путем – они не соединяют несколько кубитов в единую сеть, а пытаются "утрамбовать" большое количество ячеек квантовой информации внутри одного кубита.
Относительно недавно научная команда Федичкина выяснила, что для подобных целей можно использовать электроны, которые, как выражаются физики, заблудились в "двух соснах". Роль сосен в данном случае играют так называемые квантовые точки – искусственные "атомы" из кусочков полупроводника, внутри которых существует особая область, так называемая потенциальная яма.
Попадая в нее, электрон может находиться только в определенных состояниях и обладать определенной энергией, что позволяет использовать такие точки для решения массы практических задач, в том числе создания очень четких и ярких дисплеев, быстрых транзисторов и ряда других вещей.
Как обнаружили Федичкин и его коллеги, расположенные очень близко друг к другу квантовые точки можно превратить в кубит, если ввести в них один электрон. Благодаря законам квантовой механики, этот электрон будет одновременно находиться и в той и в другой потенциальной яме, что позволяет использовать подобные "многоточия" для проведения квантовых вычислений.
Продолжив эксперименты с такими конструкциями, Федичкин и его коллеги обнаружили, что добавление еще одного электрона позволяет превратить подобны кубит в так называемый кудит – квантовую структуру, которая может находиться не в двух, а в трех и более состояниях.
Кудиты, как объясняют физики, позволят уменьшить число элементов в квантовых компьютерах и тем самым сделать возможным их создание на практике. По словам авторов статьи, подобные конструкции из электронов и квантовых точек-"сосен" обладают высокой устойчивостью к помехам, что позволит наращивать число "заблудившихся" частиц до 3, 4, 6 и даже большего числа электронов.
___
Российские учёные сцепили электроны, заблудившиеся в квантовых «соснах»
Связанные электроны позволят приблизиться к созданию квантового компьютера
Как разработка российских физиков может сэкономить человечеству несколько тысячелетий, как воспользоваться блуждающими электронами для создания квантового компьютера и в чем разница между кубитам и кудитами, разбирался Indicator.Ru. ©
Ученые из Физико-технологического института РАН и МФТИ запустили в систему из квантовых точек два электрона и получили элемент квантового компьютера высокой размерности (более высокой, чем кубит). В работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, впервые показано, как использовать квантовые блуждания более чем одного электрона для реализации квантовых вычислений.
Пресс-служба МФТИ
«На примере двух электронов мы разрешили проблемы, которые возникают при рассмотрении одинаковых взаимодействующих частиц, и вот, проторена дорога к тому, чтобы создавать компактные высокоразрядные квантовые структуры», — пояснил Леонид Федичкин, эксперт РАН, заместитель директора по научной работе НИКС, доцент кафедры теоретической физики МФТИ.
Регистр из трёх классических битов кодирует три переменные, а из трёх квантовых битов — восемь переменных
Квантовый компьютер способен за считанные часы взломать самую распространённую систему шифрования, которая используется даже в вашем браузере. Среди более благих задач, которые под силу квантовому компьютеру, — моделирование молекул с учётом всех взаимодействий между частицами, что приведёт в том числе к созданию высокоэффективных солнечных батарей и новых лекарственных препаратов. Чтобы квантовый компьютер имел реальное применение, он должен состоять из нескольких сотен, а то и тысяч кубитов. Вот тут-то и возникают трудности.
Непреодолимым препятствием на пути к квантовым вычислениям оказалась неустойчивая связь между кубитами. Квантовые структуры сверхчувствительны к внешним помехам, в отличие от классических. Систему из нескольких кубитов приходится держать под жидким азотом или гелием, чтобы они не потеряли информацию. Зато для реализации отдельного кубита предложена масса технологий. Ранее научная группа Федичкина показала, что в качестве кубита можно использовать частицу, заблудившуюся в двух «соснах». Роль «сосен» играют связанные квантовые точки — очень маленькие полупроводники, которые с энергетической точки зрения являются ямами для электрона. Тогда нахождение электрона в левой или в правой яме задаёт базовые состояния кубита: |0⟩ или |1⟩ соответственно. Электрон размазывается по ямам и занимает определённое положение, только если его «спросить», то есть измерить его координаты. Иными словами, он находится в состоянии суперпозиции.
Про связанные кубиты нельзя сказать, что один находится в одном состоянии, а другой — в другом, можно рассматривать только состояние всей системы. Например, система из трёх кубитов имеет 8 базовых состояний и находится в их суперпозиции: A|000⟩+Б|001⟩+В|010⟩+Г|100⟩+Д|011⟩+Е|101⟩
Алексей Мельников и Леонид Федичкин предложили запустить в кольцо из квантовых точек два электрона, чтобы создать между ними квантовую сцепленность и получить сразу два связанных кудита. Квантовая сцепленность, или запутанность, достигается за счёт того, что одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Можно получить и больше связанных кудитов в том же объёме полупроводника, если запускать в него ещё больше электронов и создавать из квантовых точек более извилистые пути. Преимуществом такого способа является то, что квантовые блуждания частиц — это естественный процесс. Однако соседство одинаковых электронов в одной структуре создаёт дополнительные сложности, которые до этого преодолены не были.
___
Сцепленность частиц представляет собой важное явление для эффективной квантовой обработки информации. Но ситуация с одинаковыми частицами затрудняется тем, что между невзаимодействующими электронами может возникать так называемая ложная сцепленность. Учёные провели математические расчёты для двух случаев: когда взаимодействие есть и когда его нет — и отделили истинную сцепленность от ложной. Они рассмотрели, как меняется во времени вероятностная картина для разного числа точек: 6, 8, 10 и 12, то есть для двух связанных кудитов с тремя, четырьмя, пятью и шестью разрядами каждый. Оказалось, что предложенная структура обладает относительной устойчивостью, а небольшой шум даже способствует созданию высокоразрядных компактных элементов.
Об универсальном квантовом компьютере мечтают уже давно, но до сих пор не получается связать достаточно большое число кубитов. Работа российских учёных приблизила тот день, когда вычисления на квантовом компьютере станут обычным делом. Хоть и существуют такие алгоритмы, которые принципиально невозможно ускорить с помощью квантовых вычислений, в определённых задачах создание многокубитной (или кудитной) машины позволит сэкономить несколько тысяч лет.
Кирилл Сухина / Иван Ортега / Мария Маршак
«Русская планета» / «Life» / «РИА Новости» / «Индикатор», 7-9 декабря 2016
«Русская планета» / «Life» / «РИА Новости» / «Индикатор», 7-9 декабря 2016
Community Info