Ученые обнаружили новые перспективы в сфере квантовой электроники благодаря алгоритму, который обеспечивает высокую скорость и надежность передачи квантовых состояний. Рассматриваем инновационный подход к регулированию интенсивности связей.
Современные квантовые процессоры содержат десятки и сотни кубитов, и их число постоянно увеличивается. В ближайшем будущем специалисты Google планируют представить устройство с тысячей кубитов, в то время как IBM уже продемонстрировала систему Condor с впечатляющими 1121 кубитом. Однако простое увеличение количества элементов не решает всех задач, как говорится на официальном сайте Десятилетия науки и технологий в России.
Ключевым моментом является научиться эффективно контролировать процессы в устройстве, обеспечивая быстрое перемещение квантового возбуждения (например, фотона или спиновой конфигурации) от одной части системы к другой. Если передача будет происходить медленно, информация может исчезнуть раньше, чем достигнет пункта назначения. Поэтому для крупных квантовых систем крайне важны такие характеристики, как высокая скорость и надежность передачи сигналов.
Для передачи возбуждения в цепочке кубитов исследователи чаще всего применяют два метода. Первый основан на поэтапном включении взаимодействия между ближайшими кубитами: сначала активируется связь между парой соседей, передается состояние, а затем подключается следующая пара. Этот метод достаточно прост, но довольно медлителен.
Во втором подходе устанавливаются постоянные связи заданной силы, благодаря которым состояние автоматически перемещается по всей цепочке. Этот способ быстрее предыдущего, но также требует значительного времени, особенно при большом количестве кубитов. Очевидно, что существует необходимость в усовершенствовании существующих методов, и именно такую перспективную альтернативу недавно предложили ученые из Университета ИТМО совместно с сотрудниками Лондонского института математических наук. Их решение обеспечивает значительно более высокую скорость передачи.
Ученые применили метод, известный как «квантовая брахистохрона». Его принцип схож с известной задачей классической физики о поиске самого быстрого пути движения шарика между двумя точками. «Представьте, что у вас есть множество возможных траекторий между точками A и B. Мы рассматриваем их все, пока не находим ту, по которой квантовое состояние доберется до цели быстрее всего», — комментирует Ксения Чернова, автор исследования и магистрантка Университета ИТМО.
Специалисты предлагают иной подход к управлению передачей состояний в цепочках кубитов: вместо обычного включения и выключения связей предлагается плавно изменять их интенсивность во времени. Сначала устанавливается максимальное взаимодействие между первыми двумя кубитами, которое затем постепенно затухает, позволяя нарастать другим связям. Такая стратегия формирования волнового пакета позволяет передавать сигнал с максимальной теоретически достижимой скоростью, ограниченной только физическими законами квантовой теории. Это обеспечивает точное перемещение квантового состояния от первого кубита к последнему элементу цепи.
«Разработанный нами алгоритм переноса квантового состояния основывается на точном управлении параметрами системы. Поэтому при наличии шума точность транспортировки снижается. Однако аналогичные методы переноса, будучи более медленными, также демонстрируют потери в эффективности», — отмечает Андрей Степаненко, научный сотрудник Лондонского института математических наук и первый автор исследования.
Кроме того, физики разработали универсальный метод для расчета минимально возможного времени передачи состояния в системах с любым количеством кубитов. Авторы исследования провели расчеты для цепи из ста кубитов, в то время как ранее решения подобных задач ограничивались небольшими системами, содержащими всего несколько кубитов.
Тем временем международная команда ученых подтвердила существование неуловимой квантовой спиновой жидкости.
Фото: hi-tech.mail.ru