Кубанский государственный технологический университет

Насколько опасно для квантовой системы взаимодействие с окружающим миром?

23-02-2012
Типичный график изменения квантовой точности многоэлектронной системы во времени (изображение из статьи quant-ph/0610169)

Оказывается, электронам тоже свойственно «чувство плеча»: многоэлектронная квантовая система гораздо лучше сопротивляется дестабилизирующему воздействию окружающего мира, чем одна-единственная квантовая частица.

Законы квантовой механики открывают заманчивые перспективы для сверхскоростной обработки информации, невозможной в классическом, неквантовом мире (см. статью К. А. Валиева Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография). Первые работающие прототипы квантового компьютера и передачи информации за счет квантовой телепортации уже были не так давно реализованы в лаборатории, но для создания мощных вычислительных систем на основе квантовомеханических законов необходимо преодолеть ряд трудностей.

Главная из них состоит в том, что далеко не всегда микрочастицы «живут» по законам квантовой механики. Если частица активно и беспорядочно взаимодействует с внешним миром, то ее движение всё больше напоминает движение классических частиц и всё меньше — квантовую эволюцию. Иными словами, у такой частицы теряется квантовая когерентность, и значит ее уже нельзя эффективно использовать для квантовых вычислений.

Для борьбы с потерей когерентности надо, прежде всего, постараться максимально изолировать эволюционирующую квантовую систему от контакта с внешним миром. Однако поскольку абсолютной изоляции добиться всё равно невозможно, надо также постараться использовать такие микроскопические системы, которые были бы наименее чувствительны к внешним воздействиям.

Поиск таких систем ведется уже давно, однако недавно ситуация приняла неожиданный оборот. В опубликованной на днях статье исследователей из Института физики и химии материалов (IPCMS) в Страсбурге G. Manfredi and P. A. Hervieux, Physical Review Letters, 97, 190404 (10 November 2006), доступной также как quant-ph/0610169, описывается новая оригинальная возможность справляться с потерей когерентности — с помощью электростатического взаимодействия. Эта находка может изменить идеологию конструирования квантовых вычислительных систем.

Французские исследовались задались вопросом: если одна квантовая частица легко теряет когерентность от внешнего воздействия, то как будет вести себя система из нескольких сильно связанных частиц? Для ответа на этот вопрос они рассмотрели конкретный пример такой системы: холодную плазму. Она состоит из неподвижных положительно заряженных ионов и облака электронов, которые могут перемещаться под действием как внутренних электростатических сил, так и внешних воздействий.

Авторы вычислили то, как состояние электронного облака изменялось во времени для случая полностью изолированной системы и для случая системы, подверженной хаотическим внешним воздействиям, а затем сравнили результаты друг с другом с помощью величины, называемой «квантовой точностью» (quantum fidelity). Стопроцентная квантовая точность означала бы, что эволюция системы одинакова в обоих случаях, а уменьшение квантовой точности со временем показывает, как быстро внешнее воздействием нарушает эволюцию системы.

Во всех изученных до сих пор случаях получалось, что квантовая точность начинает уменьшаться сразу же, как только появляется внешнее воздействие. Вычисления же французов показали, что в противоположность этому квантовая точность для многоэлектронной системы имеет вид «ступеньки»: вначале она практически равна единице, но потом вдруг резко падает на несколько порядков (см. рисунок). Иными словами, в течение некоторого времени многоэлектронная система успешно «сопротивляется» дестабилизирующему воздействию внешнего мира.

Тут есть, правда, одно «но». Многоэлектронная система слишком сложна для точного решения уравнений, и поэтому авторы в своих вычислениях использовали приближенный подход — метод самосогласованного поля. Останется ли вывод справедливым при более точном расчете — теоретикам еще предстоит выяснить.

Заметим, что на фоне всеобщего стремления к миниатюризации вычислительных технологий (один кубит — один атом) идея французов (один кубит — многоэлектронная система) может показаться несколько противоестественной. Однако в данном случае усложнение системы идет квантовым вычислениям только на пользу. Система из многих частиц, сильно чувствующих друг друга, вырабатывает своеобразное «чувство плеча» и в течение некоторого времени отменно предохраняет свою эволюцию от каких-либо искажений. Это значит, что если успеть за это время использовать систему «по назначению» — для квантовой телепортации, квантовых вычислений, квантовой памяти — то можно вообще не беспокоиться о вредном воздействии внешнего мира! Реализация этой идеи в лаборатории может привести к новому подходу в конструировании квантовых вычислительных систем.

См. также: 1) Квантовый компьютер с лазерной накачкой, «Элементы», 05.07.2005. 2) Двоичная логика удобна и для квантовых компьютеров, «Элементы», 31.08.2005.

Игорь Иванов

‹‹