Физики создали первый универсальный квантовый вентиль

Физики создали первый универсальный квантовый вентиль

Физики из университетов Гриффита и Квинсленда впервые создали рабочий прототип квантового вентиля Фредкина. Устройство меняет местами состояния двух кубитов в зависимости от состояния третьего, управляющего кубита. С помощью комбинаций из одного или нескольких таких вентилей можно выполнить любую квантовую логическую операцию, иными словами он является универсальным. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Гриффита.

Вентиль работает следующим образом. В один из трех вводов подается контрольный сигнал. Если его значение равно нулю, то и он, и сигналы двух оставшихся вводов проходят неизменными. Если значение контрольного сигнала равно единице, то сигналы двух остальных вводов меняются местами в каналах выхода, контрольная линия остается при этом неизменной. С помощью одного или нескольких классических вентилей могут выполнены любые логические операции.

Аналогичными свойствами обладает и квантовый вентиль. По сути, это означает, что вместо создания нескольких различных типов вентилей для каждой операции (НЕ, ИЛИ, Исключающее ИЛИ и так далее) в устройстве можно использовать элементы лишь одного типа, определенным образом между собой соединенные. В частности, это может уменьшить общее количество элементов в схеме. 

Физики-теоретики предложили ранее несколько способов создания вентиля Фредкина, в частности, с помощью комбинации из пяти обычных двухкубитных элементов. Однако такие схемы достаточно сложны и до сих пор не были реализованы. Авторы новой работы не только предложили более простую схему вентиля без использования дополнительных логических элементов, но и воплотили ее в жизнь.

Ученые реализовали устройство с помощью линейной оптики — за основу была взята схема операции SWAP (меняет местами кубиты). К этой схеме авторы добавили контрольную линию. Физики отмечают, что такой шаг был возможен именно для оптических систем. Для того, чтобы контрольная линия могла влиять на операцию SWAP авторы использовали особый вид запутанности, работающий для путей фотонов. Иными словами, один из фотонов мог идти по тому или иному направлению в зависимости от того, какой путь «выбрал» другой фотон.

Для генерации входного сигнала ученые использовали фотоны, родившиеся в результате спонтанного параметрического рассеяния — явления, при котором один фотон превращается в два с половинными энергиями. Такие частицы являются запутанными. Затем фотоны поляризовались — так кодировалось состояние кубита. В зависимости от выбора пути контрольным кубитом, два кубита ввода либо перемешивались (пути 1R, 2B, 1G на схеме) либо продолжали двигаться неизменно (пути 1B, 2R, 1Y). 

Каждый из вариантов входного сигнала физики тестировали до момента регистрации 650 событий. Событием считались лишь те ситуации, когда четыре детектора (контрольный, для первого и второго кубита и дополнительный) одновременно фиксировали прибытие единичного фотона. По словам авторов, получившийся вентиль работает с высокой точностью.

Авторы отмечают, что сам вентиль Фредкина может быть использован в целом ряде различных задач. К примеру, он позволяет быстро сравнивать, являются ли два набора кубитов одинаковыми. Такая операция необходима для сверки ключей и создания защищенной линии связи в квантовой криптографии. Также вентиль можно использовать в алгоритме Шора, раскладывающем числа на простые множители.

Владимир Королёв

N+1

Похожие новости:
Установлен новый рекорд квантовых вычислений
Ученые из Австралии и Японии, используя новую физическую реализацию кубита, установили новый рекорд квантовых вычислений. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Nanotechnology. Специалисты создали особую физическую реализацию кубита — квантового обобщения классического бита. ..
2014-10-15 2054 0 Технология
0
Физики создали квантовый микрофон
Учёные технического университета Чалмерса (Chalmers University of Technology) продемонстрировали новый тип детектора для сверхслабого звука. Устройство назвали "квантовым микрофоном", так как оно настолько мало, что работает по законам квантовой физики. «Квантовый микрофон» основан на одноэлектронном транзисторе с пьезоэлектрической связью. Переключатель транзистора ..
2012-03-1 2325 0 Технология
0
Физики собрали квантовый канал связи рекордной длины
Физики впервые создали универсальный канал для работы квантового компьютера. Статья ученых появилась в Scientific American и Nature, а ее краткое изложение приводит Nature News. Новое исследование носило сугубо прикладной характер. Ученые построили канал связи, который связал ..
2012-04-13 2084 0 Технология
0
Ученые из США создали универсальный антибиотик
Огромное количество антибиотиков, существующих в мире сегодня, обладают одним общим недостатком - бактерии к ним со временем приспосабливаются. Но теперь, похоже, группе исследователей из Северо-восточного университета Бостона в США во главе с профессором Кимом Льюисом, эту проблему удалось решить, разработав универсальный антибиотик, ..
2013-11-14 2197 0 Технология
0
Дефектный алмаз превратили в источник отдельных фотонов
Японские и европейские физики создали источник единичных фотонов на основе дефекта в алмазе, работающий при комнатной температуре. Статья ученых появилась в журнале Nature Photonics. В рамках работы рассматривались особые дефекты, именуемые NV-центрами, или азотно-замещенными вакансиями в алмазе. Это класс так называемых точечных дефектов, состоящих ..
2012-04-16 2262 0 Технология
0
Физики создали квантовый симулятор с сотнями кубитов
Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали квантовый симулятор, который может спроектировать взаимодействия между сотнями квантовых битов (кубитов) — в 10 раз больше по сравнению с предыдущими устройствами, сообщает «WordScience.org».Как было описано 26-го апреля 2012-го ..
2012-04-27 2583 0 Технология
0
Инженеры создали квантовый холодильник
Американские ученые разработали холодильник, который использует законы квантовой физики для снижения температуры. Результаты работы сотрудников Национального института стандартов и технологий (NIST) опубликованы на сайте организации. Новый прибор в рамках эксперимента позволил охладить квадратную медную пластину ..
2013-03-14 1885 0 Технология
0
Google позволила заглянуть в свою "квантовую лабораторию"
Google в мае объявила об открытии футуристической лаборатории Quantum Artificial Intelligence Lab (QAIL), которая должна была заняться изучением искусственного интеллекта с применением достижений квантовой физики. В проекте задействован квантовый компьютер, купленный у канадской компании D-Wave. Система, которая выполняет ..
2013-10-12 1825 0 Технология
0
Физики создали самые точные в мире атомные часы
Физики из США и Сингапура создали самые точные на сегодняшний день атомные часы в мире. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Livescience. Новые часы могут ошибиться на одну секунду за 15 миллиардов ..
2015-04-23 2395 0 Технология
2
Учёные собрали простейший квантовый компьютер
Мы уже неоднократно писали о попытках учёных приблизить создание принципиально новых квантовых компьютеров, в которых информация будет передаваться с помощью фотонов. И вот сразу четыре отдельные команды исследователей сделали ещё один небольшой шаг в этом направлении. Они представили простую и пока сильно ..
2012-12-27 2686 0 Технология
0
Аннигиляцию частиц впервые наблюдали на квантовом компьютере
Физики из Австрии и Германии впервые использовали квантовый компьютер для симуляции взаимодействий элементарных частиц методами решетчатой калибровочной теории. Работа ученых позволяет в режиме реального времени проследить за рождением и уничтожением (аннигиляцией) пары частица-античастица в физическом вакууме. Исследование ..
2016-06-23 2136 0 Технология
0
Физики создали самые холодные молекулы
Американские ученые создали самые холодные молекулы, охладив газ из натрия и калия (NaK) до 500 нанокельвинов. Об открытии сообщается в журнале Physical Review Letters, а коротко о нем рассказывает издание Live Science. Физики давно размышляют о том, как ведет себя материя при сверхнизких температурах. ..
2015-06-16 2085 0 Технология
1
Физики создали нанотермометры для замера температуры единичных клеток
Китайские и американские физики создали миниатюрные нанотермометры на основе так называемых квантовых точек, микроскопических источников света, при помощи которых можно отслеживать температуру клеток в организме и отдельных их частей, что поможет медикам бороться с инфекционными болезнями и воспалениями, говорится в статье, ..
2015-07-16 3541 0 Технология
0
Создан новый тип носителя информации
Американские физики предложили новый компактный носитель информации. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает издание EurekAlert!Физики создали трехмерный алмазный чип, в котором для хранения памяти используются азото-замещенные вакансии — один из дефектов кристаллической решетки, ..
2016-10-27 13786 0 Технология
0
Немцы создали световой переключатель из одной молекулы
Физикам из Германии удалось использовать свет для управления свойствами молекулы. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Advanced Science, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Констанцского университета. Физики создали световой переключатель из одной молекулы. Она связывает два золотых ..
2015-04-21 2119 0 Технология
0