Квантовые компьютеры, которые используют загадочные эффекты квантовой механики для выполнения вычислительных операций, уже давно считаются перспективной заменой традиционным компьютерам. Квантовые биты, кубиты, которые могут находиться в большем количестве состояний, нежели биты обычного компьютера, обеспечат квантовому компьютеру такую производительность, что на определенных видах задач даже самые мощные из современных суперкомпьютеров будут выглядеть подобно первым калькуляторам по сравнению с современными компьютерами. Однако, эти же самые кубиты являются источником проблем, которые препятствуют скорому появлению масштабируемых квантовых компьютеров. Они, эти кубиты, одновременно должны быть достаточно малы, они должны обеспечивать быстрое время записи (инициализации состояния), чтения и максимально долгий период хранения квантовой информации.
В 1998 году Даниэль Лосс (Daniel Loss), работая совместно с Дэвидом ДиВинчензо (David DiVincenzo) из компании IBM, придумал новый тип кубитов, основой которых является спин (момент вращения) электронов. Позже учеными были предложены и другие варианты реализации кубитов, но вариант Лосса и ДиВинчензо оказался самым подходящим для практической реализации, ведь “искусственные атомы” этих кубитов можно изготавливать при помощи традиционных технологий производства полупроводниковых устройств. Однако, у спиновых кубитов имеется и обратная сторона, для их инициализации и чтения из них информации требуется достаточно длительное время, которое сводит на нет все их преимущества, включая и высокую стабильность – возможность хранения информации до того момента, пока состояние кубита не разрушится под воздействием явления квантовой декогеренции.
Решение вышеупомянутой проблемы было найдено группой ученых из японского исследовательского центра RIKEN. Этим решением стал гибридный квантовый логический элемент, в котором использованы кубиты двух кардинально разных типов. Первым типом, естественно, является спиновый кубит Лосса-ДиВинчензо, имеющий высокое время декогеренции. Вторым видом кубита стал так называемый синглет-триплет кубит (singlet-triplet qubit), который не может похвастаться долгим временем хранения информации но который, зато, обеспечивает высокую скорость инициализации и считывания. Спиновые состояния двух типов кубитов в фазовом логическом элементе запутаны друг с другом и в результате этот логический элемент демонстрирует только положительные свойства, унаследованные им от двух типов кубитов.
В результате всего этого, новый квантовый логический элемент обладает одновременно высокой стабильностью и высокой скоростью записи и чтения информации, а его малые размеры позволят в будущем умещать большое количество таких кубитов на кристалле одного квантового процессора. “Создав новый квантовый логический элемент, мы продемонстрировали, что различные типы квантовых точек и кубитов могут быть объединены в единое устройство, что, в свою очередь, позволяет обойти фундаментальные ограничения одного из отдельно взятых типов кубитов. Мы надеемся, что полученные нами результаты позволят в скором времени приступить к созданию реальных масштабируемых квантовых компьютеров” – пишут исследователи.