Komputery kwantowe z nanomechanicznymi kubitami? Teoretycznie to możliwe

[KopalniaWiedzy.pl 368]

Wiele współczesnych komputerów kwantowych zapisuje informacje w nietrwałych stanach kwantowych, które bardzo trudno jest utrzymać i skalować. Rozwiązaniem problemu może być trwały nanomechaniczny kubit.

Kwantowe bity zbudowane z wibrujących węglowych nanorurek i par kropek kwantowych mogą być bardzo odporne na zakłócenia zewnętrzne. Tak przynajmniej wynika z obliczeń wykonanych przez Fabio Pistolesiego z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i jego kolegów z Hiszpanii i USA. Obliczenia wskazują bowiem, że czas dekoherencji takiego nanomechanicznego kubitu były bardzo długi, co czyni tę architekturę obiecującym elementem komputerów kwantowych.

Komputery kwantowe mogą, przynajmniej teoretycznie, dokonywać wielu obliczeń znacznie szybciej niż maszyny klasyczne. Wynika to z samych zasad fizyki kwantowej. Najmniejszą jednostką informacji, jaką posługują się komputery, jest bit, reprezentowany przez cyfrę „0” lub „1”. W 4 bitach możemy zapisać 16 (2⁴) kombinacji zer i jedynek. W komputerze klasycznym w danym momencie możemy zapisać jedną z tych kombinacji – gdyż każdy z bitów może przyjąć pozycję albo „0” albo „1” – i wykonać na niej działania.

Jednak komputery kwantowe nie korzystają z bitów, a z kubitów (bitów kwantowych). Kubitem może być np. elektron. A z praw mechaniki kwantowej wiemy, że nie ma on jednej ustalonej wartości „0” lub „1”, ale przyjmuje obie jednocześnie. To tzw. superpozycja. Zatem w komputerze kwantowym w danym momencie zapiszemy wszystkie 16 kombinacji i wykonamy na nich działania. Innymi słowy, 4-bitowy komputer kwantowy powinien być – przynajmniej w teorii – aż 16-krotnie szybszy od swojego klasycznego odpowiednika. Obecnie zaś korzystamy z procesorów 64-bitowych, więc liczba możliwych kombinacji zer i jedynek wynosi w ich przypadku 2⁶⁴.

Problem jednak w tym, że stany kwantowe są bardzo nietrwałe i w wyniku interakcji z czynnikami zewnętrznymi kubit może ulec dekoherencji, czyli utracić swój stan kwantowy (superpozycję) i stać się „standardową” jedynką albo zerem. Widzimy więc, jak istotny jest czas dekoherencji. Im jest on dłuższy, tym więcej czasu zostaje na przeprowadzenie obliczeń.

Obiecującymi kandydatami na kubity są obwody nadprzewodzące, jony uwięzione w pułapkach magnetycznych czy kropki kwantowe. Teraz międzynarodowa grupa uczonych przekonuje, że możliwe jest też zbudowanie stabilnego nanomechanicznego kubitu.

Kubit taki miały się składać z wiszącej węglowej nanorurki działającej jak rezonator, której wibracje zależą od stanów elektronicznych dwóch kropek kwantowych znajdujących się w samej nanorurce. Sprzężenie pomiędzy kropkami a nanorurką powoduje, że rezonator staje się silnie anharmoniczny. To oznacza, że okres drgań jest zależny od jego amplitudy. W takim rezonatorze bardzo łatwo wykryć nawet najmniejsze zmiany amplitudy. Pistolesi uważa, że właśnie amplitudę można wykorzystać do przechowywania kwantowej informacji.

Innymi słowy, najmniejsza możliwa amplituda drgań (kwantowy stan podstawowy) odpowiada „0”, a kolejna najmniejsza amplituda (pierwszy stan wzbudzenia) odpowiada „1”. Stany te można z łatwością odczytać za pomocą mikrofal. Fakt, że częstotliwość pracy oscylatora zmienia się, gdy zmienia się jego amplituda, pozwala nam na odczytywanie kubitu i manipulowanie nim, wyjaśnia swoją koncepcję Pistolesi. Uczony przekonuje, że taki kubit byłby bardzo trwały. Zanim pojawi się dekoherencja, dojdzie w nim do milionów oscylacji.

Wyniki badań, chociaż obiecujące, nie rozwiązują wszystkich problemów. Naukowcy wciąż nie wiedzą, w jaki sposób wprowadzić do takiego systemu na tyle silną anharmoniczność, by całość poddawała się kontroli.

Być może zaproponowana przez Pistolesiego architektura nigdy nie trafi do komputerów kwantowych. Jednak może się ona przydać do budowy niezwykle czułych detektorów kwantowych, gdyż oscylatory takie byłyby podatne na działanie klasycznych sił. Można by je więc wykorzystać do wykrywania niewielkich zmian przyspieszenia, pola elektrycznego czy magnetycznego.
Teraz badacze chcą zbudować zaproponowany przez siebie kubit i przetestować jego działanie.

« powrót do artykułu