Трио физиков предлагает использовать печатные схемы на основе темпоральных кристаллов для решения проблемы постоянных ошибок в квантовых компьютерах. В частности, это позволит стабилизировать квантовые биты (кубиты) в достаточной степени, чтобы уменьшить деградацию их квантовых состояний и, как следствие, информации, которую они содержат.
Несмотря на то, что квантовые компьютеры обещают произвести революцию в обработке информации, их внедрение сталкивается с серьезными трудностями. Хотя большинство из них считаются преодолимыми, одна, в частности, — уязвимость к ошибкам — заставляет исследователей задуматься.
Кубиты чрезвычайно хрупки и трудно стабилизируемы. Их квантовые состояния могут быть изменены малейшим "шумом", когда они взаимодействуют друг с другом во время выполнения вычислений. Это приводит к процессу декогеренции, который делает результаты нечитаемыми и приводит к потере сохраненной информации до окончания выполнения задач. Такая декогеренция приводит к ошибкам в квантовых вычислительных системах. По оценкам, лучшие квантовые компьютеры производят в среднем одну ошибку на тысячу операций, что не так уж и мало по сравнению с классическими компьютерами.
В новой попытке решить проблему ошибок исследователи из Ягеллонского университета (Польша) и Технологического университета Суинберна (Австралия) предлагают технику, которая позволит кубитам взаимодействовать друг с другом без изменения их квантовых состояний. Концепция, подробно описанная на сервере препринтов arXiv, основана на использовании печатных схем на основе темпоральных кристаллов.
Темпоральные кристаллы — это периодические структуры во времени и пространстве. В отличие от своих чисто пространственных аналогов, эти структуры спонтанно образуют повторяющиеся паттерны как в пространстве, так и во времени. В то время как кристаллы имеют сложные, повторяющиеся массивы атомов, темпоральные кристаллы содержат паттерны периодического движения. Другими словами, сети, повторяющиеся во времени. Такие кристаллы можно создать с помощью периодических систем привода.
С момента их открытия изучались вопросы о том, как можно использовать темпоральные кристаллические структуры и насколько их потенциал применения выше, чем у обычных кристаллов. Например, исследования показали, что их можно использовать для наблюдения различных экзотических форм поведения материи, таких как локализация Андерсона (отсутствие рассеяния волн в неупорядоченной среде).
Совсем недавно было высказано предположение, что их особая конфигурация делает их идеальными кандидатами на стабилизацию кубитов. Предыдущее исследование показало, что темпоральный кристалл можно использовать в качестве регулятора для поддержания кубитов в состоянии контролируемых временных флуктуаций. В свою очередь, исследователи в новом исследовании предполагают, что кристаллическая структура может служить в качестве печатной схемы, внутри которой кубиты могут циркулировать без потери информации.
Временная печатная схема будет создана из ультрахолодных атомов, движущихся по повторяющимся схемам с помощью резонансного привода. Резонанс — это явление, при котором определенные физические системы (электрические, механические и т. д.) могут испытывать особое влияние определенных частот. Туннели из атомов между различными местами соединения позволят кубитам взаимодействовать друг с другом без изменения их квантовых состояний. Это означает, что кубиты будут рассредоточены и всегда будут находиться в движении.
С другой стороны, схема позволит удаленным кубитам взаимодействовать друг с другом таким образом, который невозможен в современных квантовых компьютерах, что позволит выполнять более сложные вычисления. Кроме того, "поскольку все соединения между участками можно контролировать, можно создавать широкий спектр квантовых устройств, от одно-, двух-, трех- или многомерных структур до более экзотических объектов, которые могут быть соединены произвольным образом", — объясняют они.
Однако создание квантового компьютера с такой временной печатной схемой все еще требует нескольких лет исследований и экспериментов, говорят исследователи. Тем не менее доступность некоторых типов темпоральных кристаллов для экспериментальных целей может ускорить это развитие. Эксперты также предполагают, что ультрахолодные кристаллы на основе калия могут стать отличным вариантом для начала экспериментов.