Фізики з МФТІ і Фізико-технологічного інституту РАН показали, що на вибудуваних в кільце квантових точках можна побудувати ефективний квантовий обчислювач, що працює за принципом квантових блукань. Всередині такого пристрою можна реалізувати багаторівневі кубіти: кутрити, куквади і так далі, крім того, квантова заплутаність між парами частинок виникає в ньому природним шляхом, без потреби в додаткових операціях. Дослідження опубліковано в, коротко про нього повідомляє прес-реліз МФТІ.
Випадкові блукання - математична модель, в якій деякий об'єкт періодично здійснює кроки в довільному напрямку. Умовно, це може бути «ходок» (наприклад, що стоїть біля стовпа п'яниця), що переміщається на метр у випадковому напрямку кожну секунду. Незважаючи на те, що він, здавалося б, повинен «бігати» навколо свого стартового положення, виявляється що в середньому «ходок» віддаляється від нього, причому ця відстань зростає як квадратний корінь з числа кроків. Ця проста модель (з деякими доповненнями) використовується для опису будови полімерів, а також броунівського руху, дифузії, дрейфу генів і деяких економічних процесів.
За аналогією з класичними випадковими блуканнями існують квантові блукання. Спростимо ситуацію до руху вздовж однієї лінії. Якщо класичний об'єкт може рухатися або вліво, або праворуч, «квантовий ходок» може одночасно переміститися і ліворуч і направо. Виникне ситуація, в якій з якоюсь часткою ймовірності частку можна зустріти зліва або справа. Виявляється, це сильно позначається на темпах видалення точки від старту: фінальне положення «квантового ходока» видаляється пропорційно числу кроків (швидше, ніж корінь з кількості кроків у класичному випадку).
Модель з одиночними «квантовими ходоками» вже була втілена як теоретично, так і експериментально. На її основі були побудовані квантові алгоритми пошуку елементів у графі, крім того, з її допомогою можна дослідити перенесення енергії в білкових молекулах, наприклад, у фотосинтезі. Системи з кількома «квантовими ходоками» досліджені меншою мірою - саме їм і присвячена нова теоретична робота.
У ролі «квантових ходоків» фізики запропонували використовувати електрони, що переміщаються всередині кільця з декількох квантових точок. Останні являють собою нанорозмірні кристали напівпровідників - вони працюють як потенційні ями для електронів. При цьому частинки можуть тунелювати між сусідніми квантовими точками: на цьому явищі раніше були реалізовані кубіти для квантового комп'ютера. Вчені досліджували теоретично поведінку системи з шести, восьми, десяти і дванадцяти точок.
У мисленому експерименті фізики поміщали по одному електрону в дві протилежні квантові точки. Спеціальним чином підбираючи умови можна домогтися того, щоб в одній точці не було більше одного вільного електрону. Потім системі дозволяли еволюціонувати, електрони випадковим чином тунелювали між точками, створюючи когерентний квантовий стан. Для вимірювання цього стану, за словами авторів, достатньо просто рахувати струм з квантових точок.
Оскільки електрони взаємодіють між собою відштовхуючись, в системі виникає стан заплутаності. Більш того, наявність великої кількості станів, в яких може знаходитися один електрон робить його «багаторівневою» системою - кудитом (qudit, d - dimension, розмірність). Автори описали створення в таких системах заплутаних кутритів (d = 3) і куквартів (d = 4), а також систем з п'ятьма і шістьма рівнями. Такі статки необхідні для реалізації багатьох протоколів квантових обчислень.
Особливість кубітів (і, в більш загальному випадку, кудітів) в тому, що вони одночасно знаходяться у всіх своїх базових станах. Іншими словами, звичайний біт може бути або «нулем», або «одиницею», кубіт може бути з ймовірністю 25 відсотків «нулем» і з ймовірністю 75 відсотків - «одиницею». «Ємність» кутритів і куквартів відповідно набагато вища - вони одночасно знаходяться в трьох і чотирьох станах відповідно. Розряд з десяти куквартів несе в собі стільки ж статків (410), скільки в мільйоні битів. Відповідно, робота з куквартами може значно прискорити обчислювальний процес.
На базі такого «хороводу» з квантових точок з «квантовими ходоками» в них фізики пропонують створити пристрій для обробки квантової інформації. За словами авторів, це більш природний підхід, ніж традиційні квантові комп'ютери з логічними вентилями. На базі квантових блукань можна реалізувати будь-яку квантову операцію.
Раніше ми повідомляли про розробку першого універсального квантового вентиля: використовуючи лише різні комбінації такого вентиля можна виконати будь-яку логічну операцію. Також, цього літа австрійські та німецькі вчені розповіли про виконання перших розрахунків реальних фізичних явищ за допомогою чотирикубітного квантового комп'ютера.