"Квантовый танец" пар атомов в узлах оптической решетки. Изображение с сайта НИСТ.

Сделан шаг к созданию квантового компьютера

Принцип работы квантового компьютера базируется на уникальных свойствах микрочастиц, не имеющих аналогов в знакомом нам микромире. Так, например, параметр спин может принимать два значения (условно называемые 0 и 1), уникальность же состоит в том, что он может принимать их одновременно.

Благодаря этому свойству спинов в качестве единицы информации в квантовых компьютерах используются так называемые кубиты, которые в отличие от обычного бита могут принимать не только два значения 0 и 1, но и эти два значения одновременно. Таким образом, система из N кубитов может обрабатывать 2^N значений одновременно, поэтому потенциал квантовых компьютеров значительно превосходит возможности современных ЭВМ.

Элементами архитектуры квантового компьютера (как и обычного) являются логические вентили. Обратимый вентиль (SWAP gate) обеспечивает обмен состояниями в паре кубитов (если первый атом имел спин 0, а второй — спин 1, то первый получил спин 1, а второй — спин 0). В полуобратимом вентиле (half-SWAP gate), который еще никому не удалось создать, этот процесс останавливается на середине: оба атома имеют одновременно спин 0 и 1 (то есть находятся в неопределенном состоянии), имеет место так называемая "запутанность" (entanglement). Даже если два запутанных атома физически разделить, то информационная связь между ними все равно сохраняется: если мы определим спин одного, то мы автоматически узнаем спин другого.

Группа специалистов из Мэрилэндского университета и из НИСТ, которой руководил нобелевский лауреат Уильям Филлипс (William Phillips), занималась операцией обмена спинами. При помощи лазера они разместили в узлах двух оптических решеток атомы рубидия. В начале опыта все атомы имеют одинаковый спин. Затем под воздействием радиоволн спин атомов в одной из решеток изменяется на противоположный. Затем решетки совмещаются так, чтобы в каждой ячейке оказалась пара атомов. Далее по законам квантовой механики начинается колебательный процесс: атомы в каждой ячейке обмениваются спинами и вся система поочередно принимает значения 0 и 1 с периодичностью примерно 0,4 миллисекунды.

Созданная система работает как обратимый вентиль. Создать полуобратимый вентиль ученым пока не удалось: для этого необходимо разделить атомы в момент обмена спинами, пока они находятся в запутанном состоянии. Сейчас группа Филлипса работает над этой задачей.

Ссылки по теме
- Thousands of Atoms Swap ‘Spins’ with Partners in Quantum Square Dance – National Institute of Standards of Technology News Release, 25.07.07
- Atoms swap spins – PhysicsWeb, 25.07.07
- В IBM научились управлять атомными спинами - Lenta.ru, 31.03.2006
- В Австрии осуществили "необратимые" квантовые вычисления - Lenta.ru, 16.03.2005

Сайты по теме
- National Institute of Standards of Technology