Ученые из Великобритании и США опубликовали статью, описывающую открытия, которые могут еще на один шаг приблизить создание полнофункционального квантового компьютера.

В квантовых вычислениях, которыми ученые занимаются несколько десятков лет, уже традиционной стала проблема хранения данных в когерентном формате. Обеспечить это условие достаточно трудно, а недостаточная степень когерентности усложняет выполнение вычислительных задач. Ученые нашли способ дольше удерживать в заданном состоянии электроны, которые хранят данные, что позволяет системе обрабатывать данные с большей степенью когерентности и выполнять программы более эффективно.

Разрабатываемые квантовые компьютеры могут кардинально изменить представление о вычислениях. За несколько секунд квантовые компьютеры способны выполнять задачи, не доступные сейчас для суперкомпьютеров. Квантовые вычисления используют частицы – атомы и субатомарные частицы – для решения большого количества задач со скоростью суперкомпьютера, поскольку данные хранятся (и используются при обмене) в нескольких состояниях, а не в обычных бинарных состояниях 0 и 1.

Квантовые вычисления основаны на законах квантовой механики, описывающих взаимодействие и поведение частиц на субатомарном (протон, нейтрон и электрон) уровне. Решая известные проблемы в области квантовых вычислений, ученые находятся на пути к созданию полнофункционального квантового компьютера.

Известно несколько архитектур квантовых компьютеров, которые по-разному хранят данные, как пояснил Гевин Морли, один из авторов статьи и научный сотрудник Лондонского центра нанотехнологий, созданного совместно Университетским и Имперским колледжами. Морли работал с научными сотрудниками нескольких американских исследовательских центров, в том числе из университета штата Юта в Солт-Лейк Сити. Ученые использовали для хранения данных магнитные состояния электронов.

Квантовые биты необходимо вращать для выполнения программы, но иногда качество электронов снижается и они переходят в некорректные состояния, называемые квантовым шумом, что может вызвать серьезные проблемы, поскольку будет утрачен контроль над работой программы. Формируя определенное магнитное поле, ученые с помощью электрического тока смогли определять состояние электронов, не нарушая их стабильности, что позволяет продлить срок их существования на 5000% по сравнению с тем, чего удавалось достичь в ходе аналогичных экспериментов, проводившихся до сих пор.

Исследования группы были посвящены изучению поведения атомов фосфора в кремнии. Раньше ток передавали в сторону электронов по небольшим электрическим проводам, но это вызывало сильный квантовый шум, сводя на нет основное преимущество материала, как пояснил Морли.

Ученые надеются, что их работа позволит создать квантовый суперкомпьютер, хотя это потребует немало времени.

Невозможно предсказать, когда будет разработан квантовый компьютер и произойдет ли это вообще. "Я надеюсь увидеть один из них в исследовательской лаборатории в ближайшие пятнадцать–двадцать лет", - сказал Морли.

Квантовые компьютеры будут решать вычислительные проблемы, с которыми не справляются современные компьютеры. "Например, мы могли бы имитировать поведение больших молекул органических веществ и лекарств для поиска новых медицинских препаратов", - сказал Морли.

Статья была опубликована в Physical Review Letters.