«Солитонная молекула»: российские физики собрали установку для квантовых вычислений на новых принципах

Российские учёные из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института общей физики им. А.М. Прохорова разработали подход, который позволит реализовать квантовые вычисления на новых физических принципах. Авторы применили особые физические состояния волн — «солитонные молекулы», сгенерировав их на специально собранной лазерной установке.

По словам исследователей, такой подход позволит решить главную проблему современных квантовых вычислений — избавиться от помех при расчётах.

Учёные из МГТУ им. Н. Э. Баумана и Института общей физики им. А. М. Прохорова разработали лазерную установку, которая может в перспективе стать основой для квантового компьютера нового типа. Об этом RT сообщили в пресс-службе Российского научного фонда, при поддержке которого проводилось исследование. Его результаты опубликованы в журнале Applied Optics.

Научные группы по всему миру заняты сегодня созданием квантовых компьютеров. Такие устройства оперируют не двоичным кодом, который определяется положением электрона в полупроводнике, а кубитами. В основе лежат законы квантовой физики, которые допускают нахождение квантовой частицы сразу в нескольких состояниях — это называется квантовой суперпозицией. За счёт этого производительность квантового компьютера намного выше, чем обычного. Однако есть актуальная проблема, препятствующая внедрению таких устройств. По мере роста числа кубитов, то есть физических вычислительных элементов, увеличивается и процент ошибок и шумов. Это связано с высокой чувствительностью квантовых частиц к внешним воздействиям.

Альтернативой могут стать вычислительные системы на ультракоротких лазерных импульсах. При этом важно создать в таких системах так называемую квантовую запутанность — так физики называют ситуацию, когда общее состояние системы отличается от простого произведения волновых функций её отдельных частей. Квантовая запутанность играет ключевую роль для квантовых вычислений.

Авторы новой работы предложили использовать для квантовых вычислений т. н. «солитонные молекулы», то есть связанные состояния солитонных волн — устойчивых уединённых импульсов.

Учёные сконструировали и испытали лазерную установку, которая может генерировать «солитонные молекулы» высокого порядка с 14 «запутанными» импульсами. Это значит, что состояние каждого из них влияет на общее состояние группы.

По словам авторов, как правило, лазерное излучение формируют молекулы только 2—4 ультракоротких импульсов. Полученные «солитонные молекулы» оказались крайне стабильными и дают чёткий сигнал с минимальными шумами.

В качестве источника энергии учёные использовали обычный лазерный диод. Его излучение, попадая в кольцевой волоконный резонатор, формирует устойчивые волновые структуры. Регулируя мощность лазера, можно менять число импульсов в получаемых волновых структурах.

«Мы планируем в дальнейшем экспериментально доказать гипотезу о самовычитании (коррекции. — RT) шумов в таких импульсных структурах. Для этого мы соберём новый лабораторный стенд для измерения уровня фазовых шумов и сравним его величину с уровнем, измеренным для одиночных ультракоротких импульсов», — пояснил RT инженер лаборатории волоконных лазеров ультракоротких импульсов МГТУ им. Н. Э. Баумана Илья Орехов.