Недавно, группа исследователей из Технологического университета Дельфта и университета Айовы выяснила способ, благодаря которому источник шума превращается в то, что способно оказать поддержку кубиту квантовой памяти, существенно увеличивая время хранения информации. Этими источниками шумов являются отдельно взятые атомы вещества, окружающие собственной квантовый бит.

Когда компьютерная программа устанавливает определенное значение бита одной из ячеек памяти, нет необходимости контролировать и подтверждать устанавливаемое значение, в современных компьютерах и так реализовано множество технологий, позволяющих гарантировать достоверность записываемых в память данных. Однако эта проблема гораздо более сложна в случае квантовых компьютеров, любые взаимодействия квантового бита (кубита) с окружающей средой могут изменить значение данных, хранимых в этом кубите.

В результате воздействия различного рода помех и шумов, в том числе и тепловой природы, у большинства созданных до последнего времени кубитов время достоверного хранения информации чрезвычайно коротко, в пределах нескольких микросекунд или миллисекунд.

Недавно, группа исследователей из Технологического университета Дельфта и университета Айовы выяснила способ, благодаря которому источник шума превращается в то, что способно оказать поддержку кубиту квантовой памяти, существенно увеличивая время хранения информации.

Этими источниками шумов являются отдельно взятые атомы вещества, окружающие собственной квантовый бит. Специальное воздействие, направленное на кубит и на окружающие его атомы позволило записать во все элементы одинаковое квантовое значение, и квантовая информация, записанная в атомах, послужила для стабилизации значения, хранимого в самом кубите, выступая в коли «аппаратного корректора ошибок».

Научная группа использовала одну из довольно распространенных форм кубитов – азотную вакансию в кристаллической решетке алмаза. Этот дефект возникает тогда, когда в одном из узлов кристаллической решетки находится не атом углерода, а атом азота, способный образовать не четыре, а три ковалентных связи. Оставшийся свободным электрон, точнее значение его спина, представляет собой квантовый бит, позволяющий записывать в него и считывать из него информацию при помощи лазерного света с определенной длиной волны.

Так как электроны чрезвычайно малы и легки, достаточно небольшое внешнее воздействие может изменить их момент вращения, что делает электроны не очень подходящим выбором для реализации устройств длительного хранения квантовой информации. К счастью для ученых, в пределах азотного квантового бита можно синхронизировать вращение электрона с вращением ядра атома азота. Вращения более тяжелого ядра более стабильно и оно вполне может использоваться для длительного хранения данных.

Но и вращение ядра атома азот также подвержено влиянию извне. И главным источником этого влияния является вращение близлежащих ядер атомов углерода. За некоторое время это влияние может сдвинуть направление вращения ядра азота совершенно в случайную сторону, что приводит к утере квантовой информации. Для преодоления внешнего влияния, так называемого эффекта квантовой декогеренции, ученые устроили из одной азотной вакансии не один, а сразу три квантовых бита, одним из которых было ядро атома азота, а два остальных представляли собой ядра близлежащих атомов углерода.

Записав при помощи импульсов лазерного света в три квантовых бита одну и туже информацию, ученые добились снижения уровня декогеренции, помимо этого стало возможным реализовать достаточно распространенный алгоритм коррекции ошибок, который называется «два из трех».

К сожалению, такой подход не стал кардинальным решением для коррекции ошибок из-за проблем с установкой спинов всех ядер в одно определенное значение. Получилось так, что

одновременная установка значений трех квантовых битов не всегда обеспечивала требуемого, поэтому исследователям пришлось реализовать последовательную установку значений одного азотного и двух углеродных квантовых битов. Это существенно увеличило время записи информации в такую квантовую память, которая обеспечила выполнение около 300 операций за 1.8 миллисекунды. Естественно, что при таком быстродействии не идет никакой речи о практическом применении таких квантовых битов в квантовых компьютерах.

Но ученые не намерены сдаваться, они уже разработали ряд мер, которые позволят им значительно ускорить операции записи данных в трех-кубитовые ячейки памяти. И первой такой мерой будет понижение температуры окружающей среды от комнатной, при которой проводились первые эксперименты, до криогенной, до температуры, при которой все квантовые эффекты проявляются более явно.