Поляритоны с eBay и алмазное хранилище: обзор мировых квантовых разработок

Один из главных хайпов современного научного мира — ​квантовый компьютер. Полноценных универсальных машин пока нет, но усилий по их созданию предпринимается много. «СР» регулярно публикует новости о разработках российских ученых, а в теперь мы решили еще ежеквартально выпускать обзоры зарубежных исследований. Поехали.

Кубиты против хрупкости

Квантовые компьютеры, которые уже существуют в ИТ-компаниях и университетах, далеко не совершенны. Им приходится иметь дело с огромными объемами информации и решать задачи намного более сложные, чем обычным компьютерам. Возможность возникновения ошибок в вычислениях пока слишком велика. Такая ошибка может привести к потере важной информации, хранящейся в квантовом компьютере. Этот недостаток ученые называют хрупкостью.

Журнал Nature опубликовал исследование ученых Университета Инсбрука, Рейнско-­Вестфальского технического университета Ахена и Юлихского исследовательского центра — ​они предложили решение. Обычные компьютеры отмечают и исправляют собственные ошибки: классические биты обрабатываются процессором, хранятся в оперативной памяти в процессе обработки, а результаты операций сохраняются в долговременной памяти, где они могут быть в любой момент прочитаны. В квантовом мире это невозможно. Теорема о запрете клонирования гласит: состояние системы не может быть в точности скопировано. А это значит, что привычные для классического компьютера операции записи и хранения информации оказываются невыполнимыми.

Немецкие и австрийские специалисты создали новый принцип вычислительных операций. В каждой операции задействованы два логических квантовых бита. Это два хранителя информации. Еще два кубита служат «флагами», которые сообщают компьютеру, когда необходимо исправить ошибочные вычисления. ­Ученые собрали прототип квантового компьютера, работающий по этому принципу. В нем использовали электрические поля, чтобы поймать 14 ионов кальция, сформировав два так называемых логических кубита, каждый из которых состоит из семи запутанных ионов.

Квантовый телепорт

Ученые Делфтского технического университета (Нидерланды) впервые телепортировали информацию с одного квантового компьютера на другой. Теперь человечество на шаг ближе к созданию квантового интернета — ​он, например, соединяет мощности двух или более квантовых компьютеров и делает их еще более эффективными.

Узлы квантовой сети — ​это квантовые процессоры. Чтобы телепортировать кубиты, требуется несколько факторов: ­квантово запутанная связь между отправителем и получателем, надежный метод считывания квантовых процессоров и возможность временного хранения квантовых битов. Это и учли нидерландские ученые при связывании двух квантовых компьютеров.

Передача кубитов с одного компьютера на другой происходит так: на одном, с которого кубит отправляется, он исчезает, а на другом появляется. Ученые сначала добились того, что передали информацию между двумя смежными узлами, а недавно им удалось передать кубиты на значительно удаленные друг от друга компьютеры.

Поляритоны с eBay

Ученые из США, Австралии, Шотландии и Дании подобрали хороший материал для создания квантового симулятора (вычислитель, в котором управляемые квантовые объекты имитируют и эффективно предсказывают поведение реальных квантовых систем). Для образования поляритонов Ридберга — ​гибридных частиц света и материи для создания квантовой машины — ​они использовали кристалл, добытый в одной из шахт Намибии. Ученые купили его на интернет-­аукционе eBay. «Этот камень называют купритом. Молекулярным компонентом является Cu₂O, или окись меди», — ​рассказал «Лаб. СР» один из авторов исследования, доктор Саи Киран Раджедран из шотландского Сент-­Эндрюсского университета.

Физики сделали из кристалла пластину толщиной 30 мкм. Они использовали микрорезонатор Фабри — ​Перо, систему из двух параллельных зеркал, для захвата света и формирования резонансной оптической волны. Исследователи поместили пластину между зеркалами. В закиси меди наблюдались крупные поляритоны. По словам исследователей, эти поляритоны примерно в 100 раз больше, чем удавалось наблюдать ­когда-либо.

«Создание квантового симулятора со светом — ​это святой Грааль науки. Мы сделали огромный скачок в этом направлении, создав поляритоны Ридберга, ключевой компонент таких симуляторов», — ​говорит Хамид Охади, ученый из Школы физики и астрономии Сент-­Эндрюсского университета.

Алмазное хранилище

Сотрудники японской компании Adamant Namiki Precision Jewel совместно с учеными Университета Саги создали алмаз, который может хранить рекордное количество информации. Все благодаря тому, что плотность хранения информации на нем тоже является рекордной. Полученные алмазы могут хранить эквивалент 1 млрд однослойных дисков Blu-ray. Для понимания: один однослойный диск Blu-ray может хранить 25 Гб ­информации.

Ученые уже несколько лет ведут исследования алмазов как возможных накопителей информации в квантовых компьютерах. Кубиты, которыми оперирует квантовый компьютер, могут храниться в алмазе благодаря его особому дефекту, азотно-­лаковому центру. «Этот центр состоит из атома азота и щели в решетке алмаза. Азотно-­лаковый центр может формировать крошечные магнитные силы и функционировать как квантовая память на атомном уровне», — ​сообщается в пресс-­релизе Adamant Namiki Precision Jewel.

Сейчас японцы объединили усилия с коллегами из Нью-­Йоркского университета, которые изучают методы хранения информации в искусственных алмазах. Исследователи надеются выпустить в продажу алмазы — ​накопители информации в 2023 году.