Kvantno računalo od lako dostupnih komponenti

Kada čujete pojam "kvantno računalo", obično pomislite na neki sofisticirani hi-tech laboratorij Googlea ili IBM-a s kriogenim hlađenjem te vam sigurno ne pada na pamet da biste si ga mogli sami izraditi "za po doma".

Znanstvenici i inženjeri Stanforda se s time ne bi složili, pa su demonstrirali novi relativno jednostavni dizajn za kvantno računalo u kojem je jedan atom upleten (entangled) sa serijom fotona za procesiranje i pohranjivanje informacije.

Taj je fotonski sklop napravljen korištenjem nekoliko komponenti koje su lako dostupne te uključuju optički kabel, razdjelnik snopa, dva optička prekidača i optičku šupljinu, a prednost mu je i što može smanjiti potrebu za većim brojem fizičkih logičkih vrata.

"Obično, ako želite izgraditi ovu vrstu kvantnog računala, morali biste uzeti na tisuće kvantnih emitera, učiniti ih savršeno nerazlučivim, a zatim ih integrirati u divovski fotonski sklop", kaže Ben Bartlett, glavni autor studije. "S ovim dizajnom potrebno nam je samo nekoliko relativno jednostavnih komponenti, a veličina stroja se ne povećava s veličinom kvantnog programa koji želite pokrenuti."

Novi dizajn sastoji se od dva glavna dijela - prstena koji pohranjuje fotone i jedinice za raspršivanje. Fotoni predstavljaju kubite, a smjer u kojem putuju oko prstena određuje je li njihova vrijednost jedan ili nula, odnosno oboje ako putuju u oba smjera odjednom, zahvaljujući fenomenu kvantne  superpozicije.

Kako bi kodirao informacije o fotonima, sustav ih može usmjeriti iz prstena u jedinicu za raspršivanje, gdje ulaze u šupljinu koja sadrži jedan atom. Kada foton stupi u interakciju s atomom, oni se upletu, što je kvantno stanje u kojem se dvije čestice više ne mogu opisati odvojeno, a promjene u jednoj od njih će utjecati na partnera, bez obzira na to koliko ih velika udaljenost dijeli.

Nakon što se foton vrati u skladišni prsten, na njega se može "pisati" manipuliranjem atomom laserom. Tim kaže da se jedan atom može resetirati i ponovno koristiti, manipulirajući mnogo različitih fotona u jednom prstenu. To znači da se snaga kvantnog računala može povećati dodavanjem više fotona u prsten, umjesto da dodajete još prstenova i jedinica za raspršivanje.

"Mjerenjem stanja atoma, možete teleportirati operacije na fotone", kaže Bartlett. "Dakle, potreban vam je samo jedan atomski kubit koji se može kontrolirati i možemo ga koristiti kao proxy za neizravnu manipulaciju svim ostalim fotonskim kubitima."

Važno je reći da bi ovaj sustav mogao izvoditi razne kvantne operacije. Znanstvenici kažu da se različiti programi mogu izvoditi na istom sklopu, pisanjem novog koda za promjenu načina i vremena interakcije atoma i fotona.

"Za mnoga fotonska kvantna računala logička vrata su fizičke strukture kroz koje prolaze fotoni, pa ako želite promijeniti program koji se izvodi, to često uključuje fizičku rekonfiguraciju hardvera", kaže Bartlett. "U ovom slučaju, ne morate mijenjati hardver - samo stroju trebate dati drugačiji skup uputa. I još bolje, fotonski kvantni računalni sustavi mogu raditi na sobnoj temperaturi, uklanjajući masu koju dodaju sustavi ekstremnog hlađenja".

Čitavu studiju objavljenu u časopisu Optica možete pronaći na ovoj poveznici.