Австрийские ученые сделали очередной шаг на пути к созданию квантового компьютера будущего, на этот раз — в лаборатории: там они впервые реализовали счетную решетку из трех кубитов, известную под названием гейта Тоффоли. Статья о квантовом гейте опубликована в журнале Physical Review Letters.

Законы квантовой механики позволяют квантовым компьютерам обрабатывать информацию гораздо быстрее и эффективнее, чем это могут делать обычные электронно-вычислительные машины. Даже сложнейшие алгоритмы они выполняют за считанные шаги. Принцип работы квантовых компьютеров основывается на гейтах (вычислительных операциях) с одним или несколькими квантовыми битами (кубитами, qubits).

Основополагающие эксперименты в мире квантовой физики возможны уже с однобитовыми и одной двухбитовой операциями. В последние годы это убедительно показали исследователи, объединившиеся вокруг профессора Райнера Блатта (Rainer Blatt) из Института экспериментальной физики Инсбрукского университета и австрийского Института квантовой оптики и квантовой информатики (IQOQI).

Так, например, в 2005 году им удалось телепортировать квантовое состояние одного атома на другой атом, при этом процесс полностью контролировался. А в прошлом году ученые впервые провели так называемый детерминированный перенос связности, или обмен состояниями (entanglement swapping).

Вообще-то с помощью квантовых гейтов из одного или двух кубитов принципиально могут быть реализованы любые возможные алгоритмы, однако на практике при постановке более сложных задач довольно быстро обнаруживался предел счетных возможностей таких гейтов. Поэтому международная научная общественность пустились в погоню за счетной решеткой из трех кубитов.

Первыми в январе 2009 года рапортовали об успехах физики-экспериментаторы в Инсбруке, поймавшие в одну ловушку три иона кальция, каждый из которых в данном случае представляет собой один кубит. При этом искомый кубит решетки Тоффоли включается только тогда, когда оба контрольных кубита принимают значение «1» — во всех остальных случаях третий кубит остается неизменным.

Появление нового гейта не только расширило ассортимент имеющихся в лаборатории квантовых гейтов, но и существенно повысило их эффективность. «Для того, чтобы реализовать гейт Тоффоли традиционным способом, должны быть объединены шесть контролируемых коммутационных операций, — объясняет принимавший участие в эксперименте молодой физик Томас Монц (Thomas Monz). — По сравнению с этим, наш гейт Тоффоли работает в три раза быстрее и к тому же демонстрирует меньшую частоту ошибок».

По мнению исследователей, новый гейт может быть использован при реализации процессов коррекции квантовых ошибок или при квантомеханическом разложении чисел на простые множители, что делает его одним из базовых элементов квантового компьютера будущего.