Физики создали компонент для масштабируемого фотонного квантового компьютера

Физики создали источник одиночных фотонов, который может генерировать рекордно много абсолютно одинаковых частиц света. Его можно использовать для создания квантовых компьютеров, которые могут достичь "квантового превосходства". Статью с результатами их работы опубликовал научный журнал Science Advances.

"К сожалению, у нас нет €10 млн, чтобы создать полноценный квантовый компьютер и на практике достичь квантового превосходства, как это сделала компания Google. С другой стороны, мы создали новый тип однофотонных излучателей и показали, что их можно использовать для достижения этой цели", – прокомментировал один из авторов работы, доцент Копенгагенского университета (Дания) Равитедж Уппу.

Квантовыми компьютерами называют вычислительные устройства, мощность которых растет экспоненциально благодаря тому, что в их работе задействованы принципы квантовой механики. Они состоят из так называемых кубитов – ячеек памяти и примитивных вычислительных модулей. Бит, на котором основана работа обычных компьютеров, может хранить либо единицу, либо 0. В кубите одновременно могут храниться оба этих значения.

Год назад специалисты компании Google под руководством Джона Мартиниса объявили о достижении так называемого "квантового превосходства", то есть их прототип квантового компьютера – 53-кубитный Sycamore – решил алгоритмическую задачу, с которой обычные компьютеры справиться не могут.

Неделю назад об аналогичном достижении сообщили физики из Научно-технического университета в Шанхае. Они разработали прототип квантового компьютера "Цзючжан", основой которого служат 73 фотонных кубита. Он за 20 секунд решил задачу по генерации случайных чисел, с которой обычный компьютер смог бы справиться за несколько миллиардов лет.

Световой ключ к "квантовому превосходству"

В ходе новой работы Уппу и его коллеги разработали новый тип источников одиночных фотонов, которые используют в подобных вычислительных устройствах. Это может упростить и удешевить фотонные квантовые компьютеры, которые могут решить ту же задачу.

Сложности при разработке световых квантовых компьютеров связаны с тем, что для их работы нужны одиночные частицы света, которые не отличаются друг от друга по всем свойствам и которые можно использовать в любой произвольный момент времени. Как правило, для того, чтобы их получить, нужны очень сложные приборы. Из-за этого масштабировать квантовый компьютер, наращивая количество одновременно работающих кубитов, довольно сложно.

Датские физики решили эту проблему с помощью квантовых точек на базе соединения индия и мышьяка, а также полупроводниковых световодов и управляющей логики в виде нескольких электродов из золота. С помощью существующих технологий все эти компоненты источников одиночных фотонов можно уместить внутри компактных наночипов.

По словам исследователей, подобные источники частиц света максимально защищены от помех и сбоев благодаря особой конструкции световодов и новой методике нанесения квантовых точек на эти наночипы. Благодаря этой методике они могут вырабатывать сотни миллионов фотонов в секунду, преобразуя излучение лазера в одиночные частицы света.

Проверка показала, что сотни частиц света, которые следуют друг за другом в потоке вырабатываемых фотонов, по всем своим свойствам были абсолютно идентичны. Благодаря этому подобные излучатели можно использовать для создания световых квантовых компьютеров с большим количеством кубитов, что сейчас сделать достаточно сложно из-за появления небольших расхождений в характеристиках фотонов через 20-30 следующих друг за другом частиц.

"Наши излучатели уже сейчас можно применять для создания квантовых симуляторов, которые могут решать сложные биохимические проблемы. Мы планируем создать большой консорциум с участием других европейских партнеров, в том числе и представителей промышленности и бизнеса, который будет сфокусирован на использовании этой технологии для достижения "квантового превосходства", – подытожил один из разработчиков, профессор Копенгагенского университета (Дания) Петер Лодаль.

© AP Photo/Ross D. Franklin, архив