Cercetătorii de la Institutul Paul Scherrer PSI au venit cu un plan detaliat pentru modul în care se pot crea piese cuantice mai rapide, mai bine definite – cuburi. Elementele centrale sunt atomi magnetici din clasa așa-numitelor metale ale pământului rar, care vor fi plantate selectiv în rețeaua cristalină a unui material. Fiecare dintre acești atomi reprezintă o cupolă. Cercetătorii au demonstrat cum aceste cuburi pot fi activate, încâlcite, utilizate ca piese de memorie și citite. Acum și-au publicat conceptul de proiectare și calculele suport în jurnal Fișier PRX.
Pe drumul către computerele cuantice, o cerință inițială este crearea așa-numiților biți cuantici sau „domuri”: biți de memorie care pot, spre deosebire de biții clasici, să ia nu numai valorile binare ale zero și unu, ci și orice arbitrar combinația acestor condiții. „Acest lucru face posibil un tip cu totul nou de calcul și procesare a datelor, ceea ce pentru aplicații specifice înseamnă o accelerare extraordinară a puterii de calcul”, explică cercetătorul PSI Manuel Grimm, primul autor al unei noi lucrări. Pe tema cubului.
Manuel Grimm este fizician teoretic la Institutul Paul Scherrer și lucrează la bazele construirii viitoarelor calculatoare cuantice. Credit: Institutul Paul Scherrer / Markus Fischer
Autorii descriu modul în care fragmentele logice și operațiile de bază ale computerului pe ele pot fi realizate într-un material magnetic rigid: cuburile vor fi plasate în atomi individuali din clasa elementelor de pământ rar, construite în rețeaua de cristal a unui material gazdă. Pe baza fizicii cuantice, autorii calculează că rotația nucleară a atomilor de pământuri rare ar fi potrivită pentru a fi utilizată ca purtător de informații, adică un cub. În plus, ei propun că impulsurile laser direcționate pot transfera imediat informații către atomelectroni și astfel activează cuburile, prin care informațiile lor devin vizibile pentru atomii din jur. Două astfel de cuburi activate comunică între ele și astfel pot fi „confuze”. Împletirea este o proprietate specială a sistemelor cuantice de particule multiple sau cupole, care este esențială pentru calculatoarele cuantice: Rezultatul măsurării unei cupole depinde în mod direct de rezultatele măsurătorilor altor cupole și invers.
Mai rapid înseamnă mai puțin predispus la greșeli
Cercetătorii demonstrează modul în care aceste cuburi pot fi utilizate pentru a produce porți logice, în special „poarta necontrolată” (poarta CNOT). Porțile logice sunt elementele de bază pe care computerele clasice le folosesc și pentru efectuarea calculelor. Dacă combinați suficient astfel de porți CNOT, precum și porți cu o cupolă, orice acțiune de calcul posibilă devine posibilă. Astfel, ele constituie baza computerelor cuantice.
Această lucrare nu este prima care propune porți logice cuantice. „Metoda noastră de activare și confuzie a cuburilor are totuși un avantaj crucial față de propunerile comparabile anterioare: este de cel puțin zece ori mai rapidă”, spune Grimm. Avantajul nu este însă doar viteza cu care poate calcula un computer cuantic bazat pe acest concept; mai presus de toate, abordează sensibilitatea sistemului la erori. „Qubit-urile nu sunt foarte stabile. “Dacă procesele de confuzie sunt foarte lente, există o probabilitate mai mare ca unele dintre cuburi să își piardă informațiile între timp”, explică Grimm. La urma urmei, ceea ce au descoperit cercetătorii PSI este o modalitate de a face acest tip de computer cuantic nu numai de cel puțin zece ori mai rapid decât sistemele comparabile, dar și mai puțin predispus la erori de același factor.
Referință: „Calculul cuantic universal folosind funcțiile electronice ale ionilor din pământul rar” de Manuel Grimm, Adrian Beckert, Gabriel Aeppli și Markus Müller, 21 ianuarie 2021, Dacă PRX.
DOI: 10.1103 / PRXQuantum.2.010312