Инженеры придумали, как упростить конструкцию квантового компьютера
Квантовые компьютеры сложны в создании, а для их работы требуется температура ниже, чем в межзвездногом пространстве. Поэтому исследователи обратили внимание на фотоны.
Фотоны могут легко переносить информацию из одного места в другое, а фотонные квантовые компьютеры могут работать при комнатной температуре. Хотя люди успешно создали отдельные квантовые «логические гейты» для фотонов, очень сложно построить большое количество гейтов и надежно соединить их для выполнения сложных вычислений.
Традиционно, для построения квантового компьютера такого типа приходилось брать тысячи квантовых излучателей, делать их совершенно неразличимыми и интегрировать их в гигантскую фотонную схему. В предложенной конструкции нам нужна лишь горстка относительно простых компонентов. Что немаловажно, размер машины не увеличивается с размером квантовой программы. Эта удивительно простая конструкция требует всего несколько единиц оборудования: волоконно-оптический кабель, разветвитель луча, пара оптических переключателей и оптическая полость.
Эти компоненты не только существуют, но даже доступны в продаже. Например, телекоммуникационные компании уже много лет работают с оптоволоконными кабелями и оптическими переключателями.
Разработанная учеными конструкция состоит из двух основных секций: накопительного кольца и рассеивающего блока. Кольцо хранения, которое функционирует аналогично памяти в обычном компьютере, представляет собой оптоволоконную петлю, удерживающую множество фотонов, которые перемещаются по кольцу.
По аналогии с битами в классическом компьютере, в этой системе каждый фотон представляет собой квантовый бит (или «кубит»). Направление движения фотона по кольцу памяти определяет значение кубита, который, как и бит, может быть 0 или 1. Но поскольку фотоны могут одновременно существовать в двух состояниях, отдельный фотон может двигаться в обоих направлениях одновременно, что представляет собой значение, которое является комбинацией 0 и 1 в одно и то же время.
Исследователи могут управлять фотоном, направляя его из накопительного кольца в блок рассеяния, где он попадает в полость, содержащую один атом. Затем фотон взаимодействует с атомом, в результате чего они становятся «запутанными». Запутанные частицы могут влиять друг на друга даже на большом расстоянии. Далее фотон возвращается в кольцо и лазер изменяет состояние атома. Поскольку атом и фотон запутаны, манипуляции с атомом также влияют на состояние его парного фотона.
Измеряя состояние атома, вы можете телепортировать операции на фотоны. Таким образом, нам нужен только один управляемый атомный кубит, и мы можем использовать его в качестве посредника для косвенного манипулирования всеми остальными фотонными кубитами. Поскольку любой квантовый логический гейт может быть составлен из последовательности операций, выполняемых на атоме, можно запустить любую квантовую программу любого размера, используя только один управляемый атомный кубит. Чтобы запустить программу, код переводится в последовательность операций, которые направляют фотоны в блок рассеяния и манипулируют атомным кубитом.
Статья опубликована в журнале Optica.