Квантовые вычисления на ионных ловушках

 

Захват ионов – один из наиболее развитых методов изготовления кубитов для квантового компьютера. Положительно заряженные ионы ловятся электромагнитным полем и охлаждаются примерно до нанокельвина, чтобы уменьшить их колебания и ограничить декогеренцию. Затем информация кодируется энергетическими уровнями ионов и управляется лазерным светом. За счет этого достигаются успешная инициализация (99,99% случаев), точность (около 99% случаев) и устойчивое многолетнее хранение памяти.

В 1995 году Дэвид Уайнленд и его коллеги из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (Колорадо) использовали захваченные ионы для создания первого квантового логического вентиля – управляемого НЕ (C - NOT) для распутывания запутанных ионов. В 2011 году физики из Инсбрукского университета разработали 6-кубитный квантовый симулятор на ионной ловушке, модель которого была предложена в 1981 году Ричардом Фейнманом. А в 2016 году физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере захватили рекордные 219 ионов бериллия и запутали их квантовые свойства лазерами. Декогеренция и масштабирование остаются, однако, взаимосвязанными проблемами.

 

Квантовые вычисления на фотонах

 

Фотоны выглядят как хорошие будущие кубиты: они легко входят в суперпозицию и остаются когерентными в течение достаточно длительного времени. Положение, поляризацию или даже просто число фотонов в данной области пространства можно использовать для кодирования кубита. Хотя инициализация их состояний проста, фотоны довольно верткие: их легко потерять, и они не слишком тесно взаимодействуют друг с другом. Это делает их хорошим инструментом передачи квантовой информацией, но для ее хранения надо отпечатать фотонные состояния на чем-то более долгоживущем, например на энергетическом уровне атома.

Если у нас все получится, то это подтвердит перспективность квантовых вычислений с помощью фотонов, в том числе и потому, что их обработка может быть выполнена при комнатной температуре. В 2012 году группа из Венского университета использовала четыре запутанных фотона для проведения первых «слепых» квантовых вычислений. Пользователь посылает закодированную квантовым образом информацию удаленному компьютеру, который «не видит», что именно вычисляется. В будущем это может стать парадигмой – полностью защищенные квантовые вычисления в «облаке». Продолжают ставиться новые рекорды по самому большому числу запутанных фотонов: в 2016 году, например, группа из Университета науки и технологий Китая разработала лазерную систему, которая запутала сразу десять одиночных фотонов.

 

Холодные атомы

 

Скопления многих сотен атомов могут стать хорошими кубитами, если их захватить, охладить и упорядочить с использованием лазера в двумерный массив, известный как «оптическая решетка». Энергетические состояния этих атомов могут кодировать информацию, которой можно управлять с помощью дополнительных лазеров, как захваченными ионами. Мы овладели основными методами, но для создания реального квантового компьютера из холодных атомов требуется установить надежную запутанность скоплений этих холодных тел.

 

Атомно-световые гибриды

 

Электродинамика резонаторов – это подход квантовых вычислений, целью которого является объединение неподвижных холодных атомов с проворными фотонами. Свет захватывается внутри резонатора микронных размеров, а атомы запускаются через него с выполнением логических операций через взаимодействия атомов и фотонов.

Инициализация атомов демонстрирует высокую эффективность, а декогеренция допускает выполнение около десяти операций с логическими элементами – но масштабирование технологии возможно только после разработки надежных способов запутывания захваченных холодных атомов. Серж Арош из Коллеж де Франс в Париже (Франция), один из пионеров электродинамики резонаторов, разделил Нобелевскую премию по физике 2012 года с исследователем захваченных ионов Дэвидом Уайнлендом.