Ноябрь был отмечен сразу несколькими важными прорывами на пути построения квантового компьютера, о котором теоретики мечтают уже более четверти века ("КВ" №№7-11, 15, 17, 18'2007). Одно из перспективных направлений, по мнению многих учёных, - спинтроника, в которой для информационного процессинга предполагается использовать спиновые состояния квантовых объектов, в частности, электронов (о спинтронике см.: "КВ" №№1, 21'2002, 5, 11'2003, 9'2004, 21, 24, 30'2007).

Так, в 20-м номере журнала "Physical Review Letters" (Vol. 101, Nо. 20, Art. 208101, 14.11.2008) опубликованы результаты исследований группы физиков из университетов штатов Юта и Флорида и Центра нанотехнологий Лондонского университетского колледжа. В ходе эксперимента пластина кремния, легированного фосфором, с двумя электродами, расположенными на расстоянии 10 микрон, помещалась в сильное магнитное поле. Изменение спина электронов осуществлялось с помощью микроволнового излучения. Кремний был избран не только потому, что этот материал по-прежнему занимает доминирующее положение в ИТ-индустрии, но также и потому, что влияние ядерных спинов в кремнии значительно меньше, чем в достаточно популярном в спинтронике арсениде галлия (GaAs). А это, в свою очередь, заметно увеличивает время существования когерентного состояния электронов, что делает кремний перспективным материалом для реализации квантовых битов (кюбитов).

Для квантового информационного процессинга необходимо уметь считывать состояния единичного электрона. Предпочтительнее это делать путём измерения электрического тока. Однако электрический ток имеет свойство изменять измеряемое квантовое состояние, и это остаётся серьёзным препятствием использованию спина для вычислений.

В эксперименте спиновые состояния электронов измерялись методом импульсного электрически-детектируемого магнитного резонанса (pEDMR) при температурах 1.4-5 K и величине магнитного поля 3.5-8.6 T. Измерения показали, что при таких условиях время существования когерентного состояния превышает 10 микросекунд, что в 50 раз больше, чем в предыдущих экспериментах. Достоинством метода является также и то, что электроны приводятся в удобное начальное состояние со спинами, выстроенными в одном направлении.

По словам профессора физики из Лондонского университетского колледжа Маршалла Стоунхэма (Marshall Stoneham), "получить результат квантовых вычислений не просто. Эта новая работа приближает нас к решению проблемы, показывая, как мы могли бы считывать состояние электронных спинов в квантовых компьютерах на основе кремния".

Препринт статьи можно найти на xxx.lanl.gov/pdf/0806.3431.

Днём ранее другая международная группа физиков из Стэнфордского университета (Калифорния) и Национального института информатики (Токио) опубликовала в журнале "Nature" (Vol. 456, No. 7219, P. 218-221, 13.11.2008) результаты своих экспериментов по управлению спином электрона в квантовой точке (о квантовых точках см.: "КВ" №№26'2002, 23'2007). Им удалось достичь рекордной скорости изменения спинового состояния электрона и его измерения - в 100 раз большей, чем с помощью ранее использовавшихся методик с применением импульсов радиочастотного излучения.

Эксперимент проводился в три этапа при температуре, близкой к абсолютному нулю в сильном магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим магнитом. Сначала на несколько наносекунд включалось лазерное излучение определённой частоты для измерения спина электрона. Затем спин поворачивался вокруг некоторой оси с помощью импульсов поляризованного света длительностью несколько десятков пикосекунд (1 пикосекунда = 10-12 секунды). И, наконец, спин измерялся с помощью ещё одного оптического импульса.

На следующем этапе предполагается использовать новую методику в системах, объединяющих десятки и сотни кюбитов.

Были важные достижения и в теории квантовых вычислений. В частности, в статье "The Proceedings of the National Academy of Sciences" (Vol. 105, No. 48, Р. 18681-18686, 2.12.2008) группой учёных из Гарвардского университета, Массачусетского технологического института и Хэверфорд-колледжа предложен новый квантовый алгоритм для моделирования химических реакций с участием более четырёх атомов.

Как было показано ещё в 1982 году Ричардом Фейнманом ("КВ" №№39'2002, 5'2003), с увеличением числа элементов моделируемой системы время, необходимое для моделирования, растёт экспоненциально для классических компьютеров. Так, для моделирования реакции с участием 10 атомов компьютер будет работать 1 день, с участием 11 атомов - 2 дня, 12 атомов - 4 дня, 13 атомов - 8 дней и т.д. А вот у квантовых компьютеров, если таковые когда-либо будут созданы, зависимость времени вычислений от сложности моделируемой системы окажется полиномиальной. Это значит, что в случае большого числа участвующих в реакции атомов выигрыш во времени будет просто колоссальный.

В опубликованном исследовании показано, что квантовый компьютер, реализованный всего на 100 кюбитах, превзойдёт в скорости моделирования химических реакций самый мощный современный классический суперкомпьютер.

Если квантовый компьютер будет создан, то это станет настоящим прорывом в молекулярной биологии, материаловедении, в разработке новых медпрепаратов и во многих других областях, где требуются огромные вычислительные мощности и в которых до сих пор используется метод проб и ошибок.

Полный текст статьи доступен по ссылке www.pnas.org/content/early/2008/11/24/0808245105.full.pdf.

Сергей САНЬКО