Эксперимент NIST, описанный в выпуске журнала Nature от 17 декабря *, манипулировал одним ионом магния и одним ионом бериллия (заряженным атомом), заключенными в специальную ловушку (см. Фото). Ученые использовали два набора лазерных лучей, чтобы запутать два иона, установив особую квантовую связь между их свойствами, и выполнить два типа логических операций: управляемый вентиль NOT (CNOT) и вентиль SWAP.
В том же номере журнала Nature описывается аналогичная работа с двумя формами ионов кальция, выполненная в Оксфордском университете.«Гибридные квантовые компьютеры позволяют совместно использовать уникальные преимущества различных типов квантовых систем на единой платформе», — сказал ведущий автор исследования Тинг Рей Тан. «Многие исследовательские группы придерживаются этого общего подхода. Каждый вид ионов уникален, и некоторые из них лучше подходят для определенных задач, таких как хранение в памяти, в то время как другие больше подходят для обеспечения межсоединений для передачи данных между удаленными системами».
Ворота используются для построения схем или программ. Как и в классических вычислениях, квантовый бит (кубит) может иметь значение 0 или 1. Но в отличие от классических битов кубит также может находиться в «суперпозиции» значений 0 и 1 одновременно. В эксперименте NIST кубиты основаны на направлениях вращения ионов (спин вверх равен 1, а спин вниз равен 0).
Шлюз CNOT переворачивает второй (целевой) кубит, если первый (контрольный) кубит равен 1; если это 0, целевой бит не изменяется. Если контрольный кубит находится в суперпозиции, ионы запутываются. Шлюз SWAP меняет местами состояния кубита, включая суперпозиции.Эти два типа ионов различаются по своей реакции на свет, поэтому лазеры могут быть настроены так, чтобы управлять одним, не мешая другому.
Это сводит к минимуму помехи. Но заставить всю установку работать согласованно было непросто.
Исследователи разработали методику отслеживания и стабилизации фаз лазерного луча, то есть точного положения волнообразных световых волн.«Чтобы логический элемент работал, фаза должна иметь правильные значения.
Кроме того, эти фазы должны быть стабильными, чтобы мы могли применять одно и то же условие во многих повторениях», — сказал Тан.Если их удастся построить, квантовые компьютеры смогут решать проблемы, которые сейчас считаются неразрешимыми, такие как взлом лучших на сегодняшний день кодов шифрования данных. Та же группа NIST продемонстрировала множество других строительных блоков для квантовых компьютеров на основе захваченных ионов.
Например, группа продемонстрировала первый квантовый логический вентиль (вентиль CNOT) на отдельных кубитах в 1995 году с использованием одного иона бериллия.Последние методы NIST предоставляют полный или «универсальный» набор квантовых вентилей, то есть они могут выполнять любые возможные вычисления, используя ионы нескольких элементов. Универсальный набор квантовых вентилей является одним из так называемых критериев Ди Винченцо (см. Http://arxiv.org/pdf/quant-ph/0002077.pdf), которые описывают элементы, необходимые для создания практического квантового компьютера.
Новые вентили смешанного атома NIST могут также помочь в создании более совершенных симуляторов для моделирования квантовых систем и могут обеспечить более быстрые и простые измерения в таких приложениях, как экспериментальные квантовые логические часы NIST (см. Http://www.nist.gov/pml/div688/logicclock_020410. куб.м).Ворота со смешанными атомами основаны на технике NIST для запутывания ионов, продемонстрированной более десяти лет назад. Несколько тщательно настроенных лазерных лучей прикладывают осциллирующую силу к паре ионов.
Если ионы находятся в разных внутренних состояниях, они ощущают разные лазерные силы, которые изменяют внешние движения ионов. Эта связь внутренних состояний с внешними движениями приводит к запутыванию ионов.