Фізики з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) телепортували комп'ютерну схему, відому як операція квантової логіки між двома розділеними іонами (електрично зарядженими атомами), демонструючи, як квантові комп'ютерні програми можуть виконувати завдання в майбутніх великомасштабних квантових мережах.
Квантова телепортація передає дані з однієї квантової системи (такий як іон) в іншу (таку, як другий іон), навіть якщо ці дві системи повністю ізольовані одна від одної. У цій реальній формі телепортації транспортується тільки квантова інформація, а не матерія, на відміну від версії у фільмі «Зоряний шлях», де «цілі» люди переміщаються з космічного корабля на планету.
Телепортація квантових даних була продемонстрована раніше з іонами і безліччю інших квантових систем. Але нова робота є першою, яка телепортує повну квантову логічну операцію з використанням іонів, провідного кандидата на архітектуру майбутніх квантових комп'ютерів. Експерименти описані у випуску Science від 31 травня.
«Ми переконалися, що наша логічна операція працює на всіх вхідних станах двох квантових біт з імовірністю від 85 до 87% - далеко не ідеально, але це тільки початок», - сказав фізик NIST Дітріх Лейбфрід.
Повномасштабний квантовий комп'ютер, якщо він може бути побудований, міг би вирішити деякі проблеми, які в даний час нерозв'язні. NIST бере участь у глобальних дослідницьких зусиллях з використання квантової поведінки для практичних технологій, включаючи зусилля зі створення квантових комп'ютерів.
Для того щоб квантові комп'ютери працювали так, як очікується, їм, ймовірно, будуть потрібні мільйони квантових бітів або «кубітів», а також способи виконання операцій між кубітами, розподіленими по великомасштабних мережах. Телепортація логічних операцій є одним із способів зробити це без прямих квантово-механічних зв'язків (фізичні з'єднання для обміну класичною інформацією все ще будуть необхідні).
Команда вчених NIST телепортувала логічну операцію квантового контрольованого НЕ (CNOT) або логічний затвор між двома кубітами з іонами берилію, розташованими на відстані понад 340 мікрометрів (мільйонних часток метра) один від одного в окремих зонах іонної пастки, відстань, яка виключає будь-яку істотну пряму взаємодію.
Операція CNOT перевертає другий кубіт з 0 на 1 або навпаки, тільки якщо перший кубит дорівнює 1; нічого не відбувається, якщо перший кубіт дорівнює 0. Як правило, обидва кубіти можуть перебувати в «суперпозиціях», в яких вони мають значення як 1, так і 0 одночасно.
Процес телепортації NIST заснований на заплутаності, яка пов'язує квантові властивості частинок, навіть коли вони розділені. «Послана» пара заплутаних іонів магнію використовується для передачі інформації між іонами берилію.
Дослідники виявили, що телепортований процес CNOT заплутав два іони магнію - критично важливий ранній крок - з 95% -им успіхом, тоді як повна логічна операція виконувалася у 85-87% випадків.
Робота NIST також об'єднала в одному експерименті вперше кілька операцій, які будуть необхідні для створення великомасштабних квантових комп'ютерів на основі іонів, включаючи управління різними типами іонів, перенесення іонів і заплутування операцій на обраних підмножинах система.
Щоб переконатися, що вони виконали CNOT, дослідники підготували перший кубіт у 16 різних комбінаціях вхідних станів, а потім виміряли вихідні дані на другому кубіті. Це призвело до узагальненої квантової «таблиці істинності», що показує працюючий процес.
На додаток до створення таблиці істинності дослідники перевірили узгодженість даних протягом тривалого часу виконання, щоб допомогти ідентифікувати джерела помилок в експериментальній установці. Очікується, що цей метод стане важливим інструментом для характеристики квантових інформаційних процесів у майбутніх експериментах.