Квантовые компьютеры работают, используя в своих целях странные законы мира квантовой физики, что дает им огромную вычислительную мощность и скорость. Информация в таких компьютерах хранится и обрабатывается в квантовых битах (кубитах), которые чем-то напоминают биты обычных компьютеров, но которые могут функционировать весьма экзотическим образом. В основе принципа работы квантового компьютера лежит явление квантовой запутанности, которое позволяет связать кубиты между собой и сформировать квантовые цепи, реализующие необходимый алгоритм обработки информации.
Однако, до последнего времени исследователям удавалось запутать максимум два кубита на поверхности квантового чипа. И лишь недавно, ученым из японского Института физико-химических исследований RIKEN удалось запутать сразу три кубита, созданных на базе кремниевых квантовых точек.
В данном случае кубиты представляли собой маленькие круглые кремневые частицы, называемые квантовыми точками. Такие квантовые точки являются одним из самых главных кандидатов для создания квантовых битов в компьютерах следующих поколений, которые будут иметь кремниевые квантовые процессоры. Квантовые точки могут сохранять стабильность на протяжении долгого времени, их состоянием легко управлять, они способны работать при более высоких температурах, чем кубиты на основе сверхпроводников, и считывание содержащейся в них информации также не вызывает никаких сложностей.
Устройство, которое использовалось для запутывания трех кубитов, содержит три квантовых точки, управление которыми осуществляется при помощи изолированных алюминиевых проводников, которые можно сравнить с затвором полевого транзистора. В каждой из квантовых точек присутствует один электрон, спин (направление вращения) которого является носителем квантовой информации. Магнитное поле, имеющее заданные градиенты, изолирует резонансные частоты кубитов, делая их независимыми и позволяя управлять каждым кубитом по отдельности.
Процедура запутывания трех кубитов началась с запутывания двух кубитов, которые образовали двух-кубитный логический элемент, являющийся базовой единицей схем квантовых компьютеров. И затем ученые произвели запутывание третьего кубита уже со сформированным ранее логическим элементом. Получив группу из трех запутанных кубитой, ученые измерили ее основные характеристики, при этом, показатель качества запутанности составил 88 процентов. Такое значение говорит о том, что с 88-процентной вероятностью тройной кубит будет находиться в "правильном" состоянии на момент проведения измерений.
Технология создания тройной квантовой запутанности может стать очень полезным инструментом для методов обнаружения и коррекции ошибок. Вся проблема заключается в том, что кубиты квантовых компьютеров имеют тенденцию на первый взгляд в совершенно случайные моменты времени изменять свое состояние, что приводит к потере квантовой информации. Такое изменение является следствием влияния квантовой интерференции, возникающей из-за воздействия различных факторов из окружающей среды, в основном из-за помех тепловой, магнитной и электромагнитной природы.
Для обнаружения и коррекции возникающих ошибок используются методы, кардинально отличающиеся от методов коррекции на обычных компьютерах. В большинстве случаев используются сложные сети из доплнительных кубитов, "следящих" за состоянием друг друга. К примеру, в технологии коррекции ошибок от компании IBM используются незапутанные ни с кем отдельные кубиты, которые занимаются контролем состояния их запутанных соседей.
"В ближайшем времени мы планируем реализовать и продемонстрировать простую технологию детектирования и исправления ошибок на примере устройства, содержащего 10 троек запутанных между собой кубитов" - пишут исследователи, - "После этого мы планируем создать устройства с 50-100 кубитами и разработать более сложные и совершенные протоколы коррекции ошибок. Все это вместе станет большим шагом на пути к созданию крупномасштабного квантового компьютера, который может появиться на свет уже в течение этого десятилетия".