Физики из США впервые телепортировали "логическую операцию"

Американские ученые впервые успешно телепортировали состояние не отдельной частицы или кубита, а полноценного "рабочего" логического устройства на их базе. Это открывает дорогу для использования телепортации для "сшивания" частей квантовых компьютеров, пишут ученые в журнале Science.

"Мы показали, что наша система правильно исполняет расчеты с двумя кубитами с вероятностью в 85-87%. Это не идеал, но и не ноль. Подобная форма телепортации позволяет нам проводить логические операции при помощи ионных кубитов, удаленных на большие расстояния и раньше никогда не взаимодействовавших", — заявил Дитрих Лейбфрид (Dietrich Leibfried) из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (США).

Квантовая телепортация была впервые описана на теоретическом уровне в 1993 году группой физиков под руководством Чарльза Бенетта. По их идее, атомы или фотоны могут обмениваться информацией на каком угодно расстоянии в том случае, если они были "запутаны" на квантовом уровне.

Для осуществления этого процесса необходим обычный канал связи, без которого мы не можем прочитать состояние запутанных частиц, из-за чего такую "телепортацию" нельзя использовать для мгновенной передачи данных на астрономические расстояния.

При использовании стандартной процедуры квантовой телепортации отправитель-"Алиса" и получатель-"Боб" обладают двумя частицами, запутанными между собой на квантовом уровне. Если "Алиса" хочет телепортировать какую-то другую частицу "Бобу", то она одновременно замеряет состояние, в котором находились обе ее частицы, и передает их по обычной линии связи "Бобу".

Во время этого замера связь между "запутанными" частицами разрушается, и частица Боба переходит в те состояния, в которых находилась частица Алисы во время телепортации. Чтобы узнать, в каком именно состоянии она находилась, необходимы данные замеров, которые Боб может использовать для получения данных о свойствах частицы.

За последние годы российские и зарубежные физики заметно продвинулись в развитии технологий телепортации. К примеру, два года назад китайский квантовый спутник "Мо-Цзы" осуществил первую межконтинентальную и первую "космическую" телепортацию, а ученые из Российского квантового центра смогли телепортировать состояние одного кубита в другой несмотря на то, что они были построены на разных принципах.

Лейбфрид и его коллеги сделали следующий шаг в их эволюции, научившись переносить не состояния отдельных частиц и ячеек памяти, а полноценные вычислительные устройства на базе кубитов, осуществляющие квантовую логическую операцию CNOT, аналогичную "ИЛИ" в обычных компьютерах.

Для осуществления этой операции ученые подготовили две пары ионов – возбужденные атомы бериллия-9 и два атома магния-25, лишенные одного электрона. Первые, собственно, и были кубитами и главными компонентами CNOT-вентиля, а вторые играли роль запутанных частиц в классическом эксперименте с Алисой и Бобом, то есть были "расходным материалом" для осуществления телепортации.

Записав исходные данные в кубиты, ученые замерили состояние одной из пар ионов бериллия и магния, при этом одновременно осуществляя ряд операций, позволявших им проводить расчеты одновременно с телепортацией, не тратя время на "классический" обмен информацией между кубитами. После этого они проверяли то, в каком состоянии окажется "выход" логического устройства и сверяли данные с результатами теоретических расчетов.

Первые опыты с этой установкой показали, что это возможно, однако правильный ответ ученые смогли получить далеко не всегда. Примерно каждый восьмой раз логическая операция давала неправильный ответ из-за сбоев в работе "телепортатора" или самих кубитов.

Тем не менее, Лейбфрид и его коллеги полагают, что точность работы таких "сборных" квантовых логических вентилей можно будет повысить до показателей, характерных для кубитов, физически соединенных друг с другом. Это откроет дорогу для создания действительно мощных квантовых компьютеров, архитектуру которых можно будет легко масштабировать.