Создание полностью функционального квантового компьютера - это одна из главных задач, над решением которой бьются многочисленные группы ученых-физиков и инженеров. В отличие от обычных компьютеров, квантовые компьютеры используют квантовые биты (кубиты), которые служат для хранения и обработки информации при помощи некоторых явлений квантовой физики. И если ученым удастся реализовать свои идеи, то будущий квантовый компьютер будет демонстрировать в миллионы раз большую вычислительную мощность при решении задач определенного класса, нежели самые мощные на сегодняшний день суперкомпьютеры. Группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сделала момент появления реального квантового компьютера еще на шаг ближе, они продемонстрировали созданную ими матрицу из пяти сверхпроводящих квантовых битов, которая обладает очень высоким показателем надежности хранения и обработки квантовой информации и которую можно рассматривать как прототип простейшего квантового процессора.

Реализация технологий квантовых вычислений является далеко не самым простым делом. Основным явлением, которое используется для реализации квантовых вычислений, является явление квантовой суперпозиции. Подразумевается, что любой физический объект очень малых размеров, к примеру, атом или электрон, может хранить в виде своего квантового состояния информацию, при этом, существует такая ситуация, когда кубит может иметь все теоретически возможные квантовые состояния, и эта особенность позволяет реализовать совершенно новые виды параллельной обработки информации.

"Но аппаратные средства квантовых вычислительных систем весьма ненадежны по сравнению с аппаратными средствами классических вычислительных систем" - рассказывает Остин Фоулер (Austin Fowler), ученый-физик из Калифорнийского университета, - "И даже самые лучшие на сегодняшний день аппаратные средства квантовых систем демонстрируют очень низкий уровень надежности хранения и обработки информации. Нашей работой мы демонстрируем, что требуемый уровень надежности работы квантовой вычислительной системы все же может быть достигнут, пусть, и не самым простым путем".



Ученые предположили, что для того, чтобы обеспечить приемлемый уровень погрешности, квантовые биты матрицы, выполняющие логические операции, должны работать на энергетическом уровне, который всегда ниже определенного порога. Этого им удалось добиться за счет реализации сложной геометрии собственно квантовых битов и их взаимного расположения. Кубиты, которые получили название Xmon, имеют крестовидную структуру, охлаждаются до точки критической температуры, до момента, когда материал кубитов переходит в сверхпроводящее состояние и теряет магнитные свойства. Кубиты расположены в один ряд таким образом, что каждый из кубитов связан с одним или двумя соседними кубитами.

Взаимное расположение кубитов, которое определяет архитектуру этого простейшего квантового процессора, было рассчитано теоретически при помощи метода, называемого кодированием поверхности Фоулера. "Для нас оказалось своего рода неожиданностью, что теоретические расчеты дали нам достаточно простую геометрию расположения квантовых битов" - рассказывает Остин Фоулер, - "Гораздо сложнее было разработать и реализовать технологии соединения кубитов в единое целое и управления их квантовым состоянием".

"Однако, для того, чтобы получить реальный квантовый компьютер, нам потребуется двухмерная матрица из кубитов, при этом, уровень ошибок не должен превышать одного процента" - рассказывает Фоулер, - "Наши кубиты демонстрируют допустимый уровень ошибок, который находится в диапазоне от 10^-3 до 1 процента, и это говорит о том, что наша технология является жизнеспособной. Но, к сожалению, нам предстоит решить еще целый ряд проблем, причем, и весьма сложных, прежде чем мы создадим двухмерную матрицу из кубитов. Нам внушает оптимизм то, что при этом все физические процессы, которые уже достаточно хорошо нами изучены, совершенно не изменятся".