Forskare från Institute of Physics and Technology vid Ryska vetenskapsakademien och MIPT har släppt två elektroner lös i ett system med kvantpunkter för att skapa en kvantdatorminnescell med en högre dimension än en qubit (en kvantbit). I sin studie publicerad i Vetenskapliga rapporter , forskarna visar för första gången hur kvantgångar av flera elektroner kan hjälpa till att genomföra kvantberäkning.

"Genom att studera systemet med två elektroner, vi löste problemen i det allmänna fallet med två identiska interagerande partiklar. Detta banar väg mot kompakta kvantstrukturer på hög nivå, "säger Leonid Fedichkin, docent vid MIPT:s institution för teoretisk fysik.

På några timmar, en kvantdator skulle kunna hacka sig igenom det mest populära kryptosystemet som används av webbläsare. När det gäller mer välvilliga ansökningar, en kvantdator skulle kunna molekylär modellera som står för alla interaktioner mellan de involverade partiklarna. Detta skulle i sin tur möjliggöra utveckling av högeffektiva solceller och nya läkemedel. För att ha praktiska tillämpningar, en kvantdator måste innehålla hundratals eller till och med tusentals qubits. Och det är där det blir knepigt.

Som det visar sig, den instabila karaktären av kopplingen mellan qubits är fortfarande det största hindret som hindrar användningen av kvantpromenader av partiklar för kvantberäkning. Till skillnad från deras klassiska analoger, kvantstrukturer är extremt känsliga för yttre buller. För att förhindra att ett system med flera qubits förlorar informationen som lagras i den, flytande kväve (eller helium) måste användas för kylning. Många scheman har föreslagits för experimentell realisering av en separat qubit. I en tidigare studie, ett forskargrupp ledd av prof. Fedichkin visade att en qubit fysiskt kunde implementeras som en partikel som "tar en kvantpromenad" mellan två extremt små halvledare som kallas quantum dots, som är förbundna med en "kvanttunnel". Ur elektronens perspektiv, kvantprickarna representerar potentiella brunnar. Således, elektronens position kan användas för att koda de två grundtillstånden för qubit— | 0? och |1?—beroende på om partikeln är i den ena eller den andra brunnen. Istället för att sitta i en av de två brunnarna, elektronen smetas ut mellan de två olika tillstånden, intar en bestämd position endast när dess koordinater mäts. Med andra ord, det är i en superposition av två tillstånd.

Om ett intrasslat tillstånd skapas mellan flera qubits, deras enskilda tillstånd kan inte längre beskrivas separat från varandra, och varje giltig beskrivning måste hänvisa till hela systemets tillstånd. Detta innebär att ett system med tre qubits har totalt åtta grundtillstånd och är i en superposition av dem:A | 000⟩+B | 001⟩+C | 010⟩+D | 100⟩+E | 011⟩+F | 101⟩+G|110⟩+H|111⟩. Genom att påverka systemet, en påverkar oundvikligen alla de åtta koefficienterna, medan påverkan på ett system med regelbundna bitar bara påverkar deras individuella tillstånd. Underförstått, n bitar kan lagra n variabler, medan n qubits kan lagra 2 ⁿ variabler. Qudits erbjuder en ännu större fördel, eftersom n qudits på fyra nivåer (aka quarts) kan koda 4 ⁿ , eller 2 ⁿ × 2 ⁿ variabler. För att sätta detta i perspektiv, 10 kvarts lagrar cirka 100, 000 gånger mer information än 10 bitar. Med större värden på n, nollorna i detta nummer börjar höjas mycket snabbt.

I den här studien, Alexey Melnikov och Leonid Fedichkin erhåller ett system med två qudits implementerade som två intrasslade elektroner som kvantvandlar runt det så kallade cykeldiagrammet. För att göra en, forskarna var tvungna att "ansluta prickarna, "bildar en cirkel (än en gång, det här är kvantprickar, och de är anslutna genom kvanttunnel). Trasslingen av de två elektronerna orsakas av den ömsesidiga elektrostatiska repulsionen som upplevs av liknande laddningar. Det är möjligt att skapa ett system med ännu fler qudits i samma volym halvledarmaterial. Att göra detta, det är nödvändigt att koppla ihop kvantprickar i ett mönster av slingrande banor och ha fler vandrande elektroner. Kvantvandringsmetoden för kvantberäkning är bekväm eftersom den är baserad på en naturlig process. Ändå, närvaron av två identiska elektroner i samma struktur var en källa till ytterligare svårigheter som hade förblivit olösta.

Fenomenet partikelintrassling spelar en central roll i kvantinformationsbehandling. Dock, i experiment med identiska partiklar, falsk intrassling kan uppstå mellan elektroner som inte interagerar, som måste särskiljas från äkta intrassling. Att göra detta, forskarna utförde matematiska beräkningar för båda fallen, nämligen., med och utan förveckling. De observerade den förändrade sannolikhetsfördelningen för fallen med sex, åtta, 10, och 12 prickar, dvs. för ett system med två qudits med tre, fyra, fem, och sex nivåer vardera. Forskarna visade att deras föreslagna system kännetecknas av en relativt hög grad av stabilitet.

Än så länge, forskare har inte kunnat ansluta ett tillräckligt antal qubits för utvecklingen av en kvantdator. De ryska forskarnas arbete ger datavetenskap ett steg närmare en framtid när kvantberäkningar är vanliga. Och även om det finns algoritmer som kvantdatorer aldrig skulle kunna accelerera, andra skulle fortfarande ha enorm nytta av enheter som kan utnyttja potentialen hos ett stort antal qubits (eller qudits). Dessa ensamma skulle räcka för att spara oss ett par tusen år.