Протокол для управления квантовой информацией, впервые разработанный исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Института нанонауки Кавли в Делфте, Нидерланды, и Лаборатории Эймса в Университете штата Айова, может открыть дверь для более масштабных и точных квантовых вычислений.

"Хотя взаимодействия между квантовым битом ("кубитом") и его окружением имеют тенденцию искажать информацию, которую он хранит, возможно динамически управлять кубитами таким образом, который облегчает выполнение алгоритмов квантовой обработки информации, одновременно защищая кубиты от ошибок, вызванных средой", - сказал физик Дэвид Аушалом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Он и его группа были ответственны за разработку электронных и ядерных спинов, используемых в качестве квантовых битов - квантовой версии компьютерного бита - при их демонстрации и за помощь в анализе результатов.

Аушалом - директор Центра спинтроники и квантовых вычислений Калифорнийского университета в Калифорнии, профессор физики, электротехники и вычислительной техники, а Питер Дж. Кларк - директор Калифорнийского института наносистем.

Динамическая защита квантовой информации необходима для квантовых вычислений, поскольку кубиты, используемые для обработки и хранения информации, очень восприимчивы к ошибкам, вызванным взаимодействиями с атомами в среде кубитов. Предыдущее исследование ученых показало, что квантовая информация, хранящаяся в кубитах, может быть эффективно защищена с помощью последовательных операций управления (поворотов) кубита, которые отфильтровывают эти нежелательные взаимодействия. Однако эти операции управления также отфильтровывают взаимодействия между кубитами, которые необходимы для реализации логических элементов для квантовой обработки информации. Таким образом, до недавнего времени квантовая информация, хранящаяся в защищенных состояниях кубитов, не могла использоваться для квантовых вычислений.

Исследовательская группа, в которую также входили сотрудники Университета Южной Калифорнии, показала, что, точно синхронизируя вращения электронного спина с вращением соседнего ядерного спина, они могут реализовать динамическую защиту обоих кубитов от окружающей среды, сохраняя при этом взаимодействия между двумя спинами, которые необходимы для квантовой обработки информации. В качестве доказательства принципа исследователи продемонстрировали высокоточное выполнение алгоритма квантового поиска с использованием этой двухкубитной системы. Алгоритмы квантового поиска, если они выполняются на большем количестве кубитов, могут выдавать результаты поиска по определенным базам данных значительно быстрее, чем алгоритмы поиска, выполняемые на классическом компьютере.

Результаты этого исследования указывают на большие возможности для квантовых компьютеров, которые, по словам Аушалома, преодолевают представление о том, что спиновые кубиты в полупроводниках, такие как те, которые используются в этой работе, страдают от слишком сильных взаимодействий с окружающей средой, чтобы быть полезными кубитами. Эти твердотельные спиновые системы также предлагают дополнительное преимущество работы при комнатной температуре, в отличие от других возможных кубитных систем, которые работают лишь на долю градуса выше абсолютного нуля.

"Эта демонстрация выполнения квантового алгоритма на субатомном уровне с одиночными спинами предлагает путь к созданию все более сложных квантовых машин с использованием протоколов управления кубитами, которые обходят ожидаемые ограничения от реальных материалов", - сказал Аушалом.