Nowe wyniki badań nad komputerem kwantowym, wskazują, że jest możliwe by działał on w temperaturze pokojowej

Praktyczne komputery kwantowe pozostają jeszcze poza horyzontem, ale naukowcy nadal wprowadzają ulepszenia w podstawowej technologii wymaganej do stworzenia takich systemów.

Dwa zespoły badawcze opublikowały informacje na temat alternatywnych podejść do komputerów kwantowych, z których jeden zajmuje się manipulowaniem spinem elektronów w temperaturze pokojowej, a drugi wykorzystuje naturalne interakcje kwantowe do rozwiązywania problemów.

Międzynarodowy zespół naukowców, z University of Cambridge, stwierdził, że znalazł sposób na kontrolowanie interakcji światła i spinu elektronów, dzięki czemu zachowują się one jak maleńkie magnesy, które można wykorzystać do zastosowań kwantowych, i które działają nawet w temperaturze pokojowej. Z kolei inny zespół z Los Alamos National Laboratory (LANL), w amerykańskim stanie Nowy Meksyk, twierdzi, że opracował sposób implementacji algorytmu w naturalnych interakcjach kwantowych, który eliminuje niektóre z trudnych wymagań dla sprzętu kwantowego.

Badania Cambridge obejmują półprzewodniki organiczne, podobne do tych używanych do emitowania światła w wyświetlaczach cyfrowych, takich jak ekrany komputerowe. W badaniach wykorzystano je do tworzenia jednostek molekularnych połączonych maleńkimi „mostkami”, a zastosowanie światła do tych mostków spowodowało, że elektrony na przeciwległych końcach struktury połączyły się, wyrównując swoje stany spinowe. Elektrony te pozostają wyrównane poprzez swoje spiny, nawet jeśli most zostanie następnie usunięty.

Według zespołu, taki poziom kontroli nad właściwościami kwantowymi można normalnie osiągnąć tylko w temperaturach kriogenicznych, jak ma to miejsce w przypadku wielu technologii nadprzewodzących kubitów. Zamiast tego zespół twierdzi, że jest w stanie kontrolować kwantowe zachowanie swoich materiałów w temperaturze pokojowej, co otwiera szereg potencjalnych zastosowań kwantowych poprzez niezawodne sprzęganie spinów z fotonami.

Organiczne półprzewodniki nie były jeszcze szeroko badane pod kątem zastosowań kwantowych, takich jak obliczenia kwantowe lub czujniki kwantowe, według Sebastiana Gorgona, pierwszego autora artykułu badawczego w Cambridge’s Cavendish Laboratory.

„Zrobiliśmy teraz kolejny duży krok i połączyliśmy właściwości optyczne i magnetyczne cząsteczek rodników w organicznym półprzewodniku” – powiedział Gorgon. „Te nowe materiały są bardzo obiecujące dla zupełnie nowych zastosowań, ponieważ udało nam się wyeliminować potrzebę stosowania bardzo niskich temperatur”.

Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nature, a artykuł „Odwracalny interfejs spinowo-optyczny w luminescencyjnych rodnikach organicznych” jest dostępny tutaj.

Naukowcy z LANL twierdzą, że możliwe jest zaimplementowanie algorytmu w naturalnych interakcjach kwantowych, aby przetwarzać różne rzeczywiste problemy szybciej niż klasyczne komputery, a nawet konwencjonalne komputery kwantowe oparte na bramkach.

Nikolai Sinitsyn, pracownik naukowy z tytułem doktora w LANL i współautor publikacji, powiedział, że naturalne systemy, takie jak nieadekwatne spiny elektronów w diamencie, wykazują dokładnie taki rodzaj interakcji, jaki jest potrzebny w procesach obliczeniowych.

„Nasze odkrycie eliminuje wiele trudnych wymagań dotyczących sprzętu kwantowego” – powiedział.

Zamiast konfigurować złożony system bramek logicznych wśród wielu kubitów, które muszą dzielić splątanie kwantowe, nowe podejście ma wykorzystywać proste pole magnetyczne do manipulowania kubitami, takimi jak spiny elektronów, w systemie naturalnym. Sinitsyn dodał, że precyzyjna ewolucja stanów spinowych jest wszystkim, co jest potrzebne do zaimplementowania algorytmu i że może to być wykorzystane do rozwiązania wielu praktycznych problemów, które prawdopodobnie wymagają komputerów kwantowych.

Ponieważ podejście to opiera się na naturalnym, a nie indukowanym splątaniu, wymaga ono mniejszej liczby połączeń między kubitami. Według Sinitsyna zmniejsza to ryzyko dekoherencji, dzięki czemu kubity „żyją” stosunkowo długo.

Artykuł zespołu LANL opisuje, w jaki sposób jego podejście może zostać wykorzystane do rozwiązania problemu partycjonowania liczb przy użyciu algorytmu Grovera, kwantowej metody przeszukiwania dużych zbiorów danych, która zajęłaby znaczną ilość czasu i środków przy użyciu konwencjonalnych komputerów.

Algorytm ten dobrze nadaje się do wyidealizowanych, skorygowanych o błędy komputerów kwantowych, ale żaden z nich obecnie nie istnieje i byłby trudny do wdrożenia na dzisiejszych podatnych na błędy maszynach, twierdzi Sinitsyn.

Artykuł zatytułowany „Topologically protected Grover’s oracle for the partition problem” został opublikowany w czasopiśmie naukowym A Physical Review.