Ученые телепортировали логическую операцию между разделенными ионами

Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) телепортировали компьютерную схему, известную как операция квантовой логики между двумя разделенными ионами (электрически заряженными атомами), демонстрируя, как квантовые компьютерные программы могут выполнять задачи в будущих крупномасштабных квантовых сетях.

Квантовая телепортация передает данные из одной квантовой системы (такой как ион) в другую (такую ​​как второй ион), даже если эти две системы полностью изолированы друг от друга. В этой реальной форме телепортации транспортируется только квантовая информация, а не материя, в отличие от версии в фильме «Звездный путь», где «целые» люди перемещаются с космического корабля на планету.

Телепортация квантовых данных была продемонстрирована ранее с ионами и множеством других квантовых систем. Но новая работа является первой, которая телепортирует полную квантовую логическую операцию с использованием ионов, ведущего кандидата на архитектуру будущих квантовых компьютеров. Эксперименты описаны в выпуске Science от 31 мая.

«Мы убедились, что наша логическая операция работает на всех входных состояниях двух квантовых бит  с вероятностью от 85 до 87% — далеко не идеально, но это только начало», — сказал физик NIST Дитрих Лейбфрид.

Полномасштабный квантовый компьютер, если он может быть построен, мог бы решить некоторые проблемы, которые в настоящее время неразрешимы. NIST участвует в глобальных исследовательских усилиях по использованию квантового поведения для практических технологий, включая усилия по созданию квантовых компьютеров.

Для того чтобы квантовые компьютеры работали так, как ожидается, им, вероятно, потребуются миллионы квантовых битов или «кубитов», а также способы выполнения операций между кубитами, распределенными по крупномасштабным сетям. Телепортация логических операций является одним из способов сделать это без прямых квантово-механических связей (физические соединения для обмена классической информацией все еще будут необходимы).

Команда ученых NIST телепортировала логическую операцию квантового контролируемого НЕ (CNOT) или логический затвор между двумя кубитами с ионами бериллия, расположенными на расстоянии более 340 микрометров (миллионных долей метра) друг от друга в отдельных зонах ионной ловушки, расстояние, которое исключает любое существенное прямое взаимодействие.

Операция CNOT переворачивает второй кубит с 0 на 1 или наоборот, только если первый кубит равен 1; ничего не происходит, если первый кубит равен 0. Как правило, оба кубита могут находиться в «суперпозициях», в которых они имеют значения как 1, так и 0 одновременно.

Процесс телепортации NIST основан на запутанности, которая связывает квантовые свойства частиц, даже когда они разделены. «Посланная» пара запутанных ионов магния используется для передачи информации между ионами бериллия.

Исследователи обнаружили, что телепортированный процесс CNOT запутал два иона магния — критически важный ранний шаг — с 95% -ным успехом, в то время как полная логическая операция выполнялась в 85-87% случаев.

Работа NIST также объединила в одном эксперименте впервые несколько операций, которые будут необходимы для создания крупномасштабных квантовых компьютеров на основе ионов, включая управление различными типами ионов, перенос ионов и запутывание операций на выбранных подмножествах система.

Чтобы убедиться, что они выполнили CNOT, исследователи подготовили первый кубит в 16 различных комбинациях входных состояний, а затем измерили выходные данные на втором кубите. Это привело к обобщенной квантовой «таблице истинности», показывающей работающий процесс.

В дополнение к созданию таблицы истинности исследователи проверили согласованность данных в течение продолжительного времени выполнения, чтобы помочь идентифицировать источники ошибок в экспериментальной установке. Ожидается, что этот метод станет важным инструментом для характеристики квантовых информационных процессов в будущих экспериментах.

«Quantum gate teleportation between separated qubits in a trapped-ion processor» Science (2019). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aaw9415