Запустили два электрона в кольцо — и открыли новую эпоху квантовых вычислений

Звучит как фантастика, но российским учёным удалось "запутать" два электрона в системе квантовых точек. Это не просто красивый трюк — результат открывает путь к созданию квантовых компьютеров новой, более мощной архитектуры.

Когда одного электрона уже недостаточно

Ранее для создания кубитов — основы квантового компьютера — использовался одиночный электрон, находящийся в суперпозиции двух состояний. Его размещали в двух связанных квантовых точках, похожих на энергетические ямы. Электрон как бы "размазывался" между ними и определённо локализовался только при измерении.

Куда сложнее — работать с несколькими частицами

Учёные из ФТИ РАН и МФТИ пошли дальше: они запустили в квантовую систему сразу два электрона и добились между ними квантовой сцепленности. Это и есть начало создания кудитов — более "разрядных" аналогов кубитов, способных хранить и обрабатывать в разы больше информации.

"На примере двух электронов мы разрешили проблемы, которые возникают при рассмотрении одинаковых взаимодействующих частиц…", — пояснил Леонид Федичкин, заместитель директора НИКС, МФТИ.

Кудиты: в 100 000 раз мощнее привычных битов

Память из n кудитов с четырьмя состояниями в каждом (так называемые куквадриты) может хранить 4ⁿ переменных. Для сравнения, обычная память из n битов — всего n. Результат — разница в сотни тысяч раз!

Как электроны "запутываются"

Идея построена на отталкивании одинаково заряженных частиц. Электроны, блуждая по кольцу квантовых точек, естественным образом взаимодействуют, создавая состояние сцепленности. Причём добавление небольшого шума, как ни странно, способствует устойчивости такой структуры.

Учёные рассчитали и отличили истинную сцепленность от ложной (возникающей между невзаимодействующими частицами), показав: система работает даже в присутствии помех. Они протестировали варианты с 6, 8, 10 и 12 точками — и получили стабильные многокудитные структуры.

Почему это важно

Современные квантовые компьютеры упираются в главную проблему: невозможно надёжно связать между собой большое количество кубитов. А ведь именно это необходимо, чтобы решать практические задачи — от взлома шифров до моделирования лекарств и солнечных батарей.

Работа российских физиков приближает нас к моменту, когда квантовые вычисления перестанут быть лабораторной диковинкой. Да, квантовый компьютер не всесилен, но там, где он действительно применим, экономия времени может составлять тысячи лет.

Уточнения

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον "янтарь") — субатомная частица (обозначается символом e-
или β-), чей электрический заряд отрицателен и равен по модулю одному элементарному электрическому заряду.