Немецкие физики создали прообраз квантового процессора

Иллюстрация того, как фотоны могут взаимодействовать друг с другом: их отправляю в резонатор, сконструированный из двух зеркал с высочайшей отражающей способностью,в качестве посредника для взаимодействия используется единичный атом рубидия Увеличить картинку Иллюстрация того, как фотоны могут взаимодействовать друг с другом: их отправляю в резонатор, сконструированный из двух зеркал с высочайшей отражающей способностью,в качестве посредника для взаимодействия используется единичный атом рубидия (© Stephan Welte, MPQ, Quantum Dynamics Division) Ученые из Института Макса Планка сделали важный шаг на пути к созданию сверхскоростного квантового компьютера будущего. В результате эксперимента, используя поляризацию световых частиц, баварским исследователям удалось  создать ключевое структурное звено для квантового процессора – логическую квантовую решетку, по которой информация передается от фотона к фотону.

Квантовый компьютер, над созданием которого бьются лучшие ученые мира, давно окрестили техникой будущего. Он даст фору в скорости традиционным вычислительным системам за счет того, что квантовые биты (кубиты) способны принимать значения "0" и "1" одновременно, поскольку могут пребывать сразу в нескольких квантовых состояниях. Однако загвоздка на пути создания машины будущего – в самой природе световых частиц (фотонов). Несмотря на интенсивность световых частиц, они многократно пересекаются в свободном пространстве, не вызывая никаких изменений. Причина в том, что фотоны не обладают зарядом и не могут посредством электромагнитных сил вступать в коммуникацию с себе подобными, а потому – и перерабатывать информацию, которую несут другие световые частицы.

Во всех современных компьютерах процесс переработки данных базируется на том, что информация сначала кодируется в бинарном виде, а потом перерабатывается с помощью логических операций. А происходит этот процесс с помощью так называемых логических решеток. Для квантовых вычислительных систем именно они также должны служить ключевым структурным элементом. Мировая физика давно ищет пути создания такого рода решетки – по которой информация передается от фотона к фотону, позволяя каждому квантовому биту (кубиту) воздействовать на "собратьев". И одна из возможностей кодировки фотонных кубитов – использование состояния поляризации отдельных фотонов. Именно по этому пути пошли немецкие физики.

Институт квантовой оптики общества им. Макса Планка в Мюнхене Увеличить картинку Институт квантовой оптики общества им. Макса Планка в Мюнхене (© picture-alliance / dpa / dpaweb) Для своего эксперимента баварские исследователи из Института квантовой оптики общества им. Макса Планка задействовали всего два фотона, каждый из которых является носителем одного кубита информации. Эти световые частицы одну за другой отправили в резонатор, сконструированный из двух зеркал с высочайшей отражающей способностью, расположенных на расстоянии полмиллиметра друг от друга. Оказалось, что для взаимодействия световых частиц требуется посредник. В качестве такового ученые использовали единичный атом рубидия, который зафиксировали в резонаторе с помощью лазерного луча.

Во время эксперимента на месте атома резонатор настолько усилил световое поле привнесенного извне фотона, что взаимодействие двух световых частиц стало возможным. Фотон повлиял на состояние атома в тот момент, когда отразился в зеркале. А в результате на это измененное состояние атома отреагировала и вторая задействованная в эксперименте световая частица. "Вращение плоскости поляризации первого фотона позволило воздействовать на него другому фотону. И хотя обе частицы никогда не оказываются одновременно в одном месте, мы добились максимального взаимодействия между ними", – рассказывает участник эксперимента, физик Бастиан Хакер (Bastian Hacker). С помощью своего опыта испытатели доказали, что, в зависимости от выбора поляризации для обоих фотонов, происходит воздействие одного из них на своего "собрата". Но универсальной квантовой решеткой созданная баварскими физиками система, по словам Хакера, станет только тогда, когда и второй фотон сможет в обратном направлении передавать информацию первому.

Особый интерес для ученых представляет случай, когда поляризация фотонов выставлена таким образом, что они взаимно влияют друг на друга. В этом случае световые частицы перекрещиваются. "Эта возможность образования скрещивания принципиально отличает квантовую решетку от своего классического аналога. Перекрещенные фотоны могут быть использованы, например, для телепортации квантовых состояний", – объясняет член команды исследователей Штефан Вельте (Stephan Welte).

Немецкие ученые рассчитывают, что с помощью созданной ими квантовой логической рсхемы в будущем можно будет осуществлять переработку квантовой информации исключительно оптическим способом. "Распределение фотонов через оптическую квантовую сеть позволит подключить к системе любое количество узлов и создать квантовый компьютер, в котором эта решетка будет служить в качестве центрального процессора", – планирует глава группы исследователей, профессор Герхард Ремпе (Gerhard Rempe). Ученый убежден, что создание квантового процессора однозначно принесет практическую пользу. Ведь пока квантовую информация можно передавать только в формате фотонов, а если научиться еще и перерабатывать ее с помощью световых частиц, то отпадет необходимость в других носителях, – таких как, например, атомы. 

Арина Попова

30.08.2016

Немецкие физики создали прообраз квантового процессора

picture alliance / blickwinkelmm-images

Присоединяйтесь к нам

Немецкие ученые смастерили самый маленький двигатель в мире

picture alliance / dpa

Немецким исследователям удалось создать самый маленький в мире тепловой двигатель. Наномашина состоит всего из одного атома, при этом в производительности микромотор не уступает традиционному двигателю. Из-за малой мощности инновационный движок не применить на практике, однако разработка имеет революционное значение для изучения термодинамики на квантовом уровне. Эта область фундаментальных исследований лежит в авангарде современной науки, нацеленной на миниатюризацию высокотехнологичных систем.

Роботы-невидимки: наноракета для очистки сточных вод

Первые испытания нанороботов показали, что они могут сократить концентрацию свинца в сточных водах в 20 раз

Ученые из Тюбингена создали невидимые человеческому глазу машины, способные вылавливать из промышленных сточных вод токсичные вещества. Нанороботы с магнитным дистанционным управлением работают по принципу ракетного двигателя. Эти микроскопические санитары способны распознавать и закреплять на себе тяжелые металлы. Пилотные модели "наноспецназа" оптимизированы на поимку в воде свинца.

Термоядерный синтез: "горячее" обещание энергетического будущего

Запустила эксперимент по созданию сверхгорячей плазмы из водорода лично бундесканцлерин Меркель

В городке Грайфсвальд, что на северо-востоке Германии, сама бундесканцлерин дала старт эксперименту на уникальном термоядерном реакторе Wendelstein 7-X стоимостью миллиард евро. Ученые из Института имени Макса Планка задались целью получить сверхгорячую плазму из водорода – неисчерпаемого "зеленого" энергоисточника. Этот опыт должен стать важным шагом на пути к глобальной задаче – поставить на промышленные рельсы энергию солнца и звезд. В ближайшие десятилетия немецкие физики намерены доказать, что в управляемом термоядерном синтезе – спасение для будущих поколений.