Укротители электронов

В теории, квантовый компьютер сможет проверять потенциальные решения одновременно. Достигается это благодаря особому физическому свойству элементарных частиц - квантовому сцеплению.

Квантовые компьютеры, которые по сей день остаются на стадии разработки, как ожидается, будут обладать могучими способностями по решению определенных задач, часто встречающихся в криптографии и управлении базами данных. Большинство из этих проблем содержат громадное число возможных решений, большинство из которых не верны, а потому должны быстро отсеиваться из области возможных результатов.

Даже самые быстрые современные вычислительные машины, обязанные проверять каждое потенциальное решение перед тем, как перейти к рассмотрению следующего, затрачивают недопустимо много времени на отсеивание неверных результатов. В теории, квантовый компьютер сможет проверять решения одновременно, что в компьютерной науке принято называть параллельной обработкой данных. Достигается это благодаря особому физическому свойству элементарных частиц - квантовому сцеплению.

Два электрона с разнонаправленными спинами могут сцепляться, так что все, что действует на один из них, действует и на другой. Частицы остаются попарно связанными, даже если они сильно удалены друг от друга.

Взаимно противоположные спины двух частиц связаны, что позволяет им формировать так называемый "квантовый бит" или "кубит", который в действительности может одновременно иметь оба значения (и единицу, и ноль) при вычислениях. Данная способность к одновременному пребыванию в двух состояниях, многократно помноженная внутри компьютерного чипа, содержащего множество кубитов, призвана стать мощным инструментом перебора данных.

Проблема заключается в том, чтобы найти для извлечения результата способ измерения окончательного квантового состояния кубита после проведения вычислений.

Трудность этой задачи отчасти кроется в очень слабом сцеплении спина с окружением. В полупроводниках спин связан во многие триллионы раз слабее, чем заряд частицы, и спин испытывает относительно малое воздействие со стороны окружающего вещества.

Изменить направление спина чрезвычайно трудно. Ученые уже пробовали поляризовать частицы даже при помощи сильных магнитных полей, но надежного способа разделить квантовые объекты не существовало.

Как объяснил профессор физики Леонид Рохинсон из Университета Пердью, группе исследователей под его руководством впервые удалось добиться пространственного разделения "дырок" в арсениде галлия. Обнаружилось, что полупроводники из высокочистого арсенида галлия, расположенные между слоями арсенида галлия-алюминия обладают свойством пускать квантовые объекты ("дырки") по двум разным направлениям в соответствии с вектором спина.

Этой естественной характеристикой "дырок" внутри полупроводника и воспользовалась команда Рохинсона, чтобы разделить поток квантовых объектов. Как полагают ученые, их находка со временем позволит разработчикам микропроцессоров приручить подобный разделитель "дырок" и использовать его при создании спинтронных устройств.

"Для прочих методов измерения спина требуются сильные магнитные поля, а в нашем устройстве они не нужны, - рассказывает Леонид Рохинсон. - Тем не менее, для надежности процесса сортировку следует проводить при сверхнизкой температуре, при долях одного Кельвина. Для того чтобы сделать нашу технологию коммерчески востребованной, нам, по всей видимости, придется воспроизвести тот же эффект при более высокой температуре".

Несмотря на все трудности дальнейшего совершенствования, разработанное физиками из Университета Пердью устройство может стать ключевым элементом квантового микропроцессора.

"Любые спинтронные процессоры нуждаются в устройствах ввода, обнаружения и управления частицами, - поясняет профессор Рохинсон. - Наше устройство умеет и вводить, и обнаруживать частицы, а раз мы уже кое-чему научились в управлении квантовыми объектами, вполне возможно, наступил долгожданный прорыв в разработке спинтронных устройств.

В ближайшее время группа физиков под руководством Рохинсона собирается также объединить усилия по созданию устройства, способного еще и манипулировать "дырками", и, тем самым, попытаться выполнить все три задачи посредством одного единственного компонента.

В результате, может получиться своеобразный "спинтронный транзистор". Уж если полупроводниковые транзисторы оказали столь огромное влияние на развитие компьютеров в последние десятилетия, можно надеяться на то, что появление спинтронного транзистора будет иметь еще большее значение для информационных технологий будущего.