Повечето хора остават объркани, когато им се представят най-основните понятия на квантовата механика. Това е така, защото те нямат никакъв смисъл за всеки рационален ум. Това е особено вярно, когато се обсъжда нещо, наречено „суперпозиция“ - когато една частица може да съществува в няколко състояния едновременно, докато някой не я измери.

Един от най-запомнящите се мисловни експерименти, използвани за обяснение на суперпозицията, е чрез историята за котката на Шрьодингер, която рисува картина на хипотетична котка, която е едновременно жива и мъртва в кутия.

Когато някой отвори кутията, за да наблюдава котката, суперпозицията се прекъсва и котката окончателно се превръща в едното или другото: жива или мъртва.

Разбира се, никога не срещаме кутии с истински животни в такова странно двойно състояние, но изследователите непрекъснато изследват и тестват суперпозиции на много по-малки частици. Те правят това по много причини, но за целите на това изследване екип от учени се фокусира върху суперпозицията на частиците, защото вярват, че тя крие тайната на безпогрешните квантови изчисления.

Квантовите компютри показват изчислителна мощ, която монументално засенчва всичко, с което могат да се справят съвременните традиционни компютри или суперкомпютри.

Андреа Морело от Университета на Нов Южен Уелс (UNSW) е в челните редици на превръщането на тези квантови свойства в сигурен и ефективен начин за съхранение и обработка на информация.

Си Ю, изследовател в същата група на UNSW, описва последния си подвиг като създаване на квантов атомен вариант на тази история с котките.

„В нашата работа „котката“ е атом антимон“, обяснява Си Ю, който е водещ автор на статията.

Антимонът не е обикновен атом. Той има ядрен спин с осем възможни посоки, за разлика от по-простите двусъставни системи, наречени кюбити. Този по-голям диапазон предпазва кодираните данни от внезапни промени, които обикновено биха нарушили работата на по-крехките кюбити. Типичният кюбит може да се преобърне, ако нещо го побутне, и едно преобръщане може да превърне нулата в единица, осуетявайки всяко важно изчисление. Подходът на антимона помага да се избегне тази уязвимост.

„Както се казва в една поговорка, котката има девет живота. Една малка драскотина не е достатъчна, за да я убие“, казва Си Ю.

Всяка малка грешка оставя по-голямата част от данните непокътнати, което улеснява забелязването и отстраняването на всеки дефект, преди да се е влошил.

Д-р Даниел Холмс от UNSW създаде силициев чип, който може да побере този единствен антимонов атом. Той осигурява пълен контрол върху състоянието на спина и е изработен от същия материал, който се среща в типичната потребителска електроника. Това отваря вратата за широкомащабни производствени методи, които вече съществуват. Перспективата за свързване на много атоми в един чип може да позволи квантовите устройства да бъдат сглобявани с помощта на машини, които от десетилетия служат на обикновената полупроводникова индустрия.

„Единична или дори няколко грешки не водят до непосредствено разваляне на информацията“, казва Морело, професор в UNSW. Коригирането на квантовите грешки е основно предизвикателство, тъй като дори минимални грешки могат да се проявят каскадно и да разрушат сложни задачи.

Като използва разширеното спиново пространство, действа като допълнителен буфер, който забавя натрупването на грешки, така че има по-голям шанс да се поправят грешките навреме. Всеки квантов бит, или кюбит, остава стабилен при незначителни смущения, които биха подкопали по-прости системи. След като се появи смущение, устройството често може да запази правилните стойности. Това облекчава част от тежестта на алгоритмите за корекция. Изследователите се надяват, че с по-малко изненади, които трябва да управляват, тези изключително устойчиви кюбити ще доведат до по-големи и по-сложни квантови схеми, които могат да решават проблеми извън обсега на стандартните компютри.

Учените планират да усъвършенстват инструментите си за откриване и отстраняване на грешки в момента на появата им. Те се стремят да повишат надеждността до степен, достатъчна за продължителни изчислителни задачи. Морело отбелязва, че тази аналогия с „котката на Шрьодингер“ показва как квантовите системи могат да бъдат едновременно деликатни и здрави. Чрез усъвършенстването на тази технология екипът се надява да преодолее една от най-трудните пречки пред създаването на пълноценен квантов компютър.

Квантовите машини могат да подпомагат по-безопасната криптография, да симулират мащабни явления и да пресяват колосални масиви от данни. Инженерите предвиждат хибриден модел, при който едноатомни компоненти работят заедно с днешните схеми, като се възползват от вече съществуващите промишлени процеси. Въпреки че може да отнеме време за усъвършенстване, ранните резултати показват, че тези необичайни, подобни на котки състояния могат да повишат устойчивостта на квантовия хардуер и да проправят пътя към нова ера на изчислителната техника.

Екип от учени по света продължават да тестват различни завъртания и елементи, търсейки начини за контрол на грешките, без да претоварват хардуерните ресурси. Високоизмерните ядрени спинове могат да се окажат важен етап в този стремеж. Позволявайки на тези спинове да действат като здрави частици, изследователите намаляват сложните поправки, които обикновено са необходими. Надеждата е, че надеждните стратегии, базирани на кюбити, ще отворят вратата към по-икономични и по-мощни квантови машини.

Снимка: Unsplash

Виж още: Най-добрите е-коли в този зимен тест за пробег ще ви изненадат