Wetenschappers van het Instituut voor Natuurkunde en Technologie van de Russische Academie van Wetenschappen en MIPT hebben twee elektronen losgelaten in een systeem van kwantumstippen om een ​​kwantumcomputergeheugencel te creëren van een hogere dimensie dan een qubit (een kwantumbit). In hun studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , de onderzoekers laten voor het eerst zien hoe kwantumwandelingen van verschillende elektronen kunnen helpen bij het implementeren van kwantumberekening.

"Door het systeem met twee elektronen te bestuderen, we losten de problemen op waarmee we geconfronteerd werden in het algemene geval van twee identieke interagerende deeltjes. Dit effent de weg naar compacte kwantumstructuren op hoog niveau, " zegt Leonid Fedichkin, universitair hoofddocent bij de afdeling Theoretische Fysica van het MIPT.

Binnen enkele uren, een kwantumcomputer zou het meest populaire cryptosysteem kunnen hacken dat door webbrowsers wordt gebruikt. Wat meer welwillende toepassingen betreft, een kwantumcomputer zou in staat zijn tot moleculaire modellering die alle interacties tussen de betrokken deeltjes verklaart. Dit zou op zijn beurt de ontwikkeling van zeer efficiënte zonnecellen en nieuwe medicijnen mogelijk maken. Om praktische toepassingen te hebben, een kwantumcomputer moet honderden of zelfs duizenden qubits bevatten. En daar wordt het lastig.

Zoals het blijkt, de onstabiele aard van de verbinding tussen qubits blijft het belangrijkste obstakel dat het gebruik van kwantumwandelingen van deeltjes voor kwantumberekening verhindert. In tegenstelling tot hun klassieke analogen, kwantumstructuren zijn extreem gevoelig voor externe ruis. Om te voorkomen dat een systeem van meerdere qubits de daarin opgeslagen informatie verliest, vloeibare stikstof (of helium) moet worden gebruikt voor koeling. Er zijn tal van schema's voorgesteld voor de experimentele realisatie van een afzonderlijke qubit. In een eerdere studie, een onderzoeksteam onder leiding van prof. Fedichkin toonde aan dat een qubit fysiek kan worden geïmplementeerd als een deeltje dat "een kwantumwandeling maakt" tussen twee extreem kleine halfgeleiders die bekend staan ​​als kwantumdots, die zijn verbonden door een 'kwantumtunnel'. Vanuit het perspectief van een elektron, de kwantumstippen vertegenwoordigen potentiële putten. Dus, de positie van het elektron kan worden gebruikt om de twee basistoestanden van de qubit te coderen:|0? en |1?—afhankelijk van of het deeltje zich in de ene put of in de andere bevindt. In plaats van in een van de twee putten te zitten, het elektron is uitgesmeerd tussen de twee verschillende toestanden, alleen een definitieve positie innemen wanneer de coördinaten worden gemeten. Met andere woorden, het bevindt zich in een superpositie van twee toestanden.

Als er een verstrengelde toestand wordt gecreëerd tussen verschillende qubits, hun individuele toestanden kunnen niet langer afzonderlijk van elkaar worden beschreven, en elke geldige beschrijving moet verwijzen naar de toestand van het hele systeem. Dit betekent dat een systeem van drie qubits in totaal acht basistoestanden heeft en zich in een superpositie daarvan bevindt:A|000⟩+B|001⟩+C|010⟩+D|100⟩+E|011⟩+F| 101⟩+G|110⟩+H|111⟩. Door het systeem te beïnvloeden, één heeft onvermijdelijk invloed op alle acht coëfficiënten, terwijl het beïnvloeden van een systeem van reguliere bits alleen hun individuele toestanden beïnvloedt. impliciet, n bits kunnen n variabelen opslaan, terwijl n qubits 2 . kunnen opslaan ^N variabelen. Qudits bieden een nog groter voordeel, aangezien n qudits met vier niveaus (ook bekend als ququarts) 4 . kunnen coderen ^N , of 2 ^N ×2 ^N variabelen. Om dit in perspectief te plaatsen, 10 ququarts winkel ongeveer 100, 000 keer meer informatie dan 10 bits. Met grotere waarden van n, de nullen in dit nummer beginnen zich heel snel op te stapelen.

In dit onderzoek, Alexey Melnikov en Leonid Fedichkin verkrijgen een systeem van twee qudits geïmplementeerd als twee verstrengelde elektronen die kwantumwandelen rond de zogenaamde cyclusgrafiek. Om er een te maken, de wetenschappers moesten "de punten verbinden, " een cirkel vormen (nogmaals, dit zijn kwantumstippen, en ze zijn verbonden door kwantumtunneling). De verstrengeling van de twee elektronen wordt veroorzaakt door de onderlinge elektrostatische afstoting die wordt ervaren door gelijke ladingen. Het is mogelijk om een ​​systeem van nog meer qudits te maken in hetzelfde volume halfgeleidermateriaal. Om dit te doen, het is noodzakelijk om kwantumstippen te verbinden in een patroon van kronkelende paden en meer zwervende elektronen te hebben. De kwantumwandelingen-benadering van kwantumberekening is handig omdat het gebaseerd is op een natuurlijk proces. Hoe dan ook, de aanwezigheid van twee identieke elektronen in dezelfde structuur was een bron van extra problemen die onopgelost waren gebleven.

Het fenomeen van deeltjesverstrengeling speelt een cruciale rol in de verwerking van kwantuminformatie. Echter, in experimenten met identieke deeltjes, valse verstrengeling kan ontstaan ​​tussen elektronen die geen interactie hebben, die moet worden onderscheiden van echte verstrengeling. Om dit te doen, de wetenschappers voerden wiskundige berekeningen uit voor beide gevallen, namelijk, met en zonder verstrengeling. Ze observeerden de veranderende kansverdeling voor de gevallen met zes, acht, 10, en 12 punten, d.w.z., voor een systeem van twee qudits met drie, vier, vijf, en elk zes niveaus. De wetenschappers toonden aan dat hun voorgestelde systeem wordt gekenmerkt door een relatief hoge mate van stabiliteit.

Tot dusver, wetenschappers zijn er niet in geslaagd een voldoende aantal qubits aan elkaar te koppelen voor de ontwikkeling van een kwantumcomputer. Het werk van de Russische onderzoekers brengt de informatica een stap dichter bij een toekomst waarin kwantumberekeningen gemeengoed zijn. En hoewel er algoritmen zijn die kwantumcomputers nooit kunnen versnellen, anderen zouden nog steeds enorm profiteren van apparaten die het potentieel van grote aantallen qubits (of qudits) kunnen benutten. Deze alleen zouden genoeg zijn om ons een paar duizend jaar te redden.