Физики создали источник одиночных фотонов, который может генерировать рекордно много абсолютно одинаковых частиц света. Его можно использовать для создания квантовых компьютеров, которые могут достичь «квантового превосходства». Статью с результатами их работы опубликовал научный журнал Science Advances.
«К сожалению, у нас нет €10 млн, чтобы создать полноценный квантовый компьютер и на практике достичь квантового превосходства, как это сделала компания Google. С другой стороны, мы создали новый тип однофотонных излучателей и показали, что их можно использовать для достижения этой цели», – прокомментировал один из авторов работы, доцент Копенгагенского университета (Дания) Равитедж Уппу.
Квантовыми компьютерами называют вычислительные устройства, мощность которых растет экспоненциально благодаря тому, что в их работе задействованы принципы квантовой механики. Они состоят из так называемых кубитов – ячеек памяти и примитивных вычислительных модулей. Бит, на котором основана работа обычных компьютеров, может хранить либо единицу, либо 0. В кубите одновременно могут храниться оба этих значения.
Год назад специалисты компании Google под руководством Джона Мартиниса объявили о достижении так называемого «квантового превосходства», то есть их прототип квантового компьютера – 53-кубитный Sycamore – решил алгоритмическую задачу, с которой обычные компьютеры справиться не могут.
Неделю назад об аналогичном достижении сообщили физики из Научно-технического университета в Шанхае. Они разработали прототип квантового компьютера «Цзючжан», основой которого служат 73 фотонных кубита. Он за 20 секунд решил задачу по генерации случайных чисел, с которой обычный компьютер смог бы справиться за несколько миллиардов лет.
Световой ключ к «квантовому превосходству»
В ходе новой работы Уппу и его коллеги разработали новый тип источников одиночных фотонов, которые используют в подобных вычислительных устройствах. Это может упростить и удешевить фотонные квантовые компьютеры, которые могут решить ту же задачу.
Сложности при разработке световых квантовых компьютеров связаны с тем, что для их работы нужны одиночные частицы света, которые не отличаются друг от друга по всем свойствам и которые можно использовать в любой произвольный момент времени. Как правило, для того чтобы их получить, нужны очень сложные приборы. Из-за этого масштабировать квантовый компьютер, наращивая количество одновременно работающих кубитов, довольно сложно.
Датские физики решили эту проблему с помощью квантовых точек на базе соединения индия и мышьяка, а также полупроводниковых световодов и управляющей логики в виде нескольких электродов из золота. С помощью существующих технологий все эти компоненты источников одиночных фотонов можно уместить внутри компактных наночипов.
По словам исследователей, подобные источники частиц света максимально защищены от помех и сбоев благодаря особой конструкции световодов и новой методике нанесения квантовых точек на эти наночипы. Благодаря этой методике они могут вырабатывать сотни миллионов фотонов в секунду, преобразуя излучение лазера в одиночные частицы света.
Проверка показала, что сотни частиц света, которые следуют друг за другом в потоке вырабатываемых фотонов, по всем своим свойствам были абсолютно идентичны. Благодаря этому подобные излучатели можно использовать для создания световых квантовых компьютеров с большим количеством кубитов, что сейчас сделать достаточно сложно из-за появления небольших расхождений в характеристиках фотонов через 20-30 следующих друг за другом частиц.
«Наши излучатели уже сейчас можно применять для создания квантовых симуляторов, которые могут решать сложные биохимические проблемы. Мы планируем создать большой консорциум с участием других европейских партнеров, в том числе и представителей промышленности и бизнеса, который будет сфокусирован на использовании этой технологии для достижения «квантового превосходства», – подытожил один из разработчиков, профессор Копенгагенского университета (Дания) Петер Лодаль.
