Оксфорд был выбран, чтобы возглавить один из четырех финансируемых EPSRC «хабов», занимающихся различными аспектами квантовых технологий — в случае Оксфорда — формированием будущего квантовых сетей и вычислений для достижения конечной цели разработки функционирующего квантового компьютера.С тех пор Центр сетевых квантовых информационных технологий (NQIT — произносится как «N-kit»), расположенный в Оксфорде, но с участием почти 30 академических и промышленных партнеров, сосредоточился на разработке квантовых технологий, которые могут затмить вычислительную мощность современных суперкомпьютеров.
Новая статья оксфордских исследователей, опубликованная в журнале Nature, демонстрирует, как продвигается работа Hub.Профессор Дэвид Лукас с факультета физики Оксфорда, соруководитель группы по квантовым вычислениям с ионными ловушками, вместе с профессором Эндрю Стином, объясняет: «Разработка« квантового компьютера »- одна из выдающихся технологических задач 21 века. Квантовый компьютер — это машина, которая обрабатывает информацию в соответствии с правилами квантовой физики, которые определяют поведение микроскопических частиц в масштабе атомов и меньше.
«Важным моментом является то, что это не просто другая вычислительная технология, аналогичная тому, как работают наши повседневные компьютеры; На очень фундаментальном уровне это другой способ обработки информации. Оказывается, этот квантово-механический способ манипулирования информацией дает квантовым компьютерам возможность решать определенные проблемы гораздо более эффективно, чем любой мыслимый обычный компьютер.
Одна из таких проблем связана с взломом кодов безопасности, а другая — с поиском больших наборов данных. Квантовые компьютеры естественно хорошо подходят для моделирования других квантовых систем, что может помочь, например, в нашем понимании сложных молекул, имеющих отношение к химии и биологии ».Одна из ведущих технологий создания квантового компьютера — это захваченные атомные ионы, и основная цель проекта NQIT — разработать составляющие элементы квантового компьютера на основе этих ионов.
Профессор Лукас говорит: «Каждый захваченный ион (отдельный атом с одним удаленным электроном) используется для представления одного« квантового бита »информации. Квантовые состояния ионов контролируются лазерными импульсами точной частоты и длительности.
В компьютере необходимы два разных вида ионов: один для хранения информации («кубит памяти»), а другой — для связи различных частей компьютера вместе с помощью фотонов («интерфейсный кубит») ».Статья в Nature, ведущим автором которой является младший научный сотрудник колледжа Магдалины Крис Балланс, демонстрирует чрезвычайно важные квантовые «логические ворота» между двумя различными видами ионов — в данном случае двумя изотопами кальция, изотопом кальция-40 и редкий изотоп кальция-43.
Профессор Лукас говорит: «Оксфордская группа ранее показала, что кальций-43 обеспечивает лучшую однокубитную память из когда-либо продемонстрированных во всех физических системах, в то время как ион кальция-40 имеет более простую структуру, которая хорошо подходит для использования в качестве» интерфейсный кубит ". Логический вентиль, который был впервые продемонстрирован для ионов одного вида в NIST в Боулдере (США) в 2003 году, позволяет передавать квантовую информацию от одного кубита к другому; в настоящей работе кубиты находятся в двух разных изотопах, хранящихся в одной и той же ионной ловушке. Оксфордская работа была первой, продемонстрировавшей, что этот тип логических вентилей возможен с требуемой точностью, необходимой для создания квантового компьютера.
«В прекрасном« побочном научном результате »этого технологического достижения мы смогли выполнить« тест Белла », сначала используя высокоточный логический вентиль для генерации запутанного состояния двух ионов разных видов, затем независимо от них манипулируют и измеряют. Это тест, который исследует нелокальную природу квантовой механики; то есть тот факт, что запутанное состояние двух разделенных частиц обладает свойствами, которые не могут быть воспроизведены классической системой.
Это был первый раз, когда подобный тест проводился на двух различных разновидностях атомов, разделенных размером во много раз ».Хотя профессор Лукас предупреждает, что в этом эксперименте все еще присутствует так называемая «локальная лазейка», нет никаких сомнений в том, что эта работа является важным вкладом в растущее количество исследований, изучающих физику запутывания. Он говорит: «Значение работы по квантовым вычислениям с захваченными ионами состоит в том, что мы показываем, что квантовые логические ворота между различными изотопами возможны, могут управляться относительно простой лазерной системой и могут работать с точностью, превышающей так называемую. точность «порога отказоустойчивости» составляет приблизительно 99% — точность, необходимая для реализации методов квантовой коррекции ошибок, без которой невозможно построить квантовый компьютер полезного размера ».В долгосрочной перспективе вполне вероятно, что потребуются разные атомные элементы, а не разные изотопы.
В близкой работе, опубликованной в том же номере журнала Nature, Тинг Рей Тан и др., Группа NIST Ion Storage продемонстрировала другой тип квантового логического элемента, использующего ионы двух разных элементов (бериллия и магния).