Ученые обнаружили новый способ хранения и передачи информации для квантовых компьютеров

Команда научных сотрудников Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» на базе российского ИТ-вуза и университета Лафборо (Великобритания) исследовала динамику сетей кубитов, применила методы нелинейной динамики для анализа их активности, первой обнаружила гиперхаос и изучила возможности его управления. Благодаря этому квантовые компьютеры станут мощнее, а с ними человек получит новые технологии для информационной безопасности, создания лекарств, точных систем позиционирования и новых способов передвижения.

Александр Тормасов, советник Российского квантового центра, ректор Университета Иннополис: «Вычислительная мощность квантовых компьютеров напрямую зависит от количества кубитов: чем их больше, тем мощнее устройства. Управление гиперхаосом в квантовых объектах позволит работать с квантовыми устройствами большего размера. Потенциальные разработки в области квантовых систем дают возможность нам приблизиться к голубой мечте человечества — кардинально повысить вычислительную мощность, доступную людям, что даст возможность, например, рассчитать высокотемпературные сверхпроводники и использовать их в повседневной жизни или использовать для других новых, возможно еще не открытых, направлений или материалов».

Кубиты — биты в квантовой физике. Это частицы, которые могут находиться одновременно в двух разных состояниях между 0 и 1 — в суперпозиции. Раньше учёным было известно — в системах связанных кубитов могут наблюдаться колебания, но впервые удалось показать, что в таких системах возможен хаос и даже  гиперхаос. Гиперхаос — режим с двумя и более положительными ляпуновскими показателями, то есть направлениями в фазовом пространстве динамической системы с локальной неустойчивостью траекторий. 

Александр Храмов, руководитель Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис: «Проблема возможности возникновения хаоса в квантовых системах — одна из активно обсуждаемых специалистами в квантовой физике. Важным и до конца не ясным остается вопрос — как может возникнуть хаос в квантовой системе? Каковы механизмы и сценарии такого режима. Обсуждается и само понятие хаоса в квантовой системе в его классическом понимании, потому что уравнение Шредингера, описывающее такую систему, является линейным, что характеризует невозможность возникновения такой динамики в квантовой  системе. Всё большее внедрение современных квантовых технологий требует улучшения свойств квантовых элементов: совершенствования единичных квантовых элементов и масштабирования квантовых структур, увеличивая размеры цепочек или решеток кубитов, но этому может помешать неустойчивая динамика в сетях кубитов. Мы считаем, сейчас не хватает удобной теоретической базы, на основе которой станет понятно, как возникает сложная нелинейная динамика в сетях кубитов». 

Учёные Университета Иннополис и университета Лафборо теоретически изучили далекую от равновесия динамику цепочки взаимодействующих двухуровневых квантовых систем, являющихся моделями Ридберговских атомов, и обнаружили, что даже два связанных кубита могут демонстрировать хаотическое поведение. В системах с пятью или более элементами возникает явление, известное как гиперхаос — нерегулярное хаотическое поведение с большим числом положительных ляпуновских показателей. Статья об этом исследовании вышла в журнале Nature: Quantum Information.

Андрей Андреев, младший научный сотрудник Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис: «Данное исследование важно с той точки зрения, что кубиты являются перспективными объектами для использования в квантовых компьютерах, для хранения и передачи информации, а обнаруженное нами явление является паразитным для данных целей. Мы обнаружили параметры, при которых в системе реализуется гиперхаос, и методы его эффективного подавления».

Сложность управления гиперхаотическим явлением масштабируется с размером системы, пропорционально количеству элементов. Но исследователи показали, что гиперхаос может эффективно управляться периодической параметрической модуляцией поля накачки лазера, который переводит атомы в ридберговское состояние. Это очень просто реализовать на практике практически без существенного изменения экспериментальной парадигмы реализации подобных систем в охлаждаемых ловушках. 

Александр Храмов, руководитель Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис: «Наши результаты дают новое понимание динамики больших искусственных квантовых когерентных структур, которые будут важны для проектирования и управления квантовыми системами, основанными на ридберговских атомах или кубитах, и могут найти широкое применение в новых вычислительных системах, так называемых, квантовых компьютерах».