Квантовые состояния кубитов - условного подобия затворов транзисторов в квантовых компьютерах - почти мгновенно нарушаются от незначительных колебаний температуры или механических вибраций. Рабочую среду для квантовых систем можно создать только в условиях невообразимой изоляции от всех внешних воздействий. Всё это ведёт к тому, что квантовые системы крайне громоздкие и плохо масштабируются. Учёные из США предложили решение этой проблемы.

Группа учёных из Стэнфордского университета решила сразу обе проблемы современных квантовых систем - они предложили оригинальное решение как для упрощения конструкции системы, так и для её масштабирования. Статья о работе напечатана в издании Optica и доступна по этой ссылке.

«Обычно, если бы вы хотели построить квантовый компьютер такого типа [фотонный], вам пришлось бы взять потенциально тысячи квантовых излучателей, сделать их совершенно однородными, а затем интегрировать их в гигантскую фотонную схему, - говорит Бен Бартлетт (Ben Bartlett), ведущий автор исследования. - В то время как в этой конструкции нам нужна лишь горстка относительно простых компонентов, и размер машины не увеличивается с размером квантовой программы, которую вы хотите запустить».

Всё что нужно для создания системы, говорят изобретатели, это волоконно-оптический кабель, разветвитель луча, два оптических переключателя и оптический резонатор - всё это можно найти в свободной продаже. Более того, предложенная схема позволяет уменьшить количество логических элементов (затворов) в системе.

В предложенной исследователями архитектуре квантовой системы один атом (кубит) взаимодействует не с одним фотоном (тоже кубитом), входя с ним в запутанное состояние, а с целой серией фотонов. Фотоны после связывания направляются в кольцевой волновод и могут использоваться по мере выполнения квантового алгоритма. Чтобы изменить конфигурацию такой квантовой платформы (читай - изменить начальные условия симуляции), необходимо лишь изменить алгоритм взаимодействия атома с определёнными фотонами в серии. В современной установке для квантовых вычислений для этого пришлось бы физически перестроить систему - переподключить массу оборудования и перенаправить треки фотонов.

В общем случае предложенная конструкция состоит из двух основных частей: кольца, хранящего фотоны, и рассеивающего устройства. Фотоны представляют собой кубиты, а направление их движения по кольцу определяет, будет ли их значение равно единице или нулю или обоим, если они движутся в обоих направлениях одновременно, что соответствует явлению суперпозиции.

Для кодирования информации на фотонах система направляет их из кольца в блок рассеяния, где они попадают в объём с одним атомом. При взаимодействии фотона с атомом они запутываются или, проще говоря, их квантовые состояния становятся связанными и не могут быть представлены в отрыве друг от друга. Поэтому воздействие на одну из связанных частиц сразу же влияет на другую вне зависимости от того, где она находится - это так называемая квантовая телепортация. Связанный фотон возвращается в оптическую петлю, но его состояние можно изменить, воздействую лазером на атом и, таким образом, программировать всю фотонную цепочку.

Чтобы повысить число кубитов в такой системе достаточно просто добавить в петлю больше фотонов, а не физически увеличивать систему - добавлять новые петли, отражатели и другое. Всё очень просто, заявляют исследователи. Это интересный путь и по нему они попытаются пройти дальше.