Одна из главных проблем квантовых компьютеров заключается в том, что попытка прочитать информацию может изменить само состояние, в котором она хранится. Теперь физики из Китая и Бразилии предложили необычный способ обойти это ограничение: вместо прямого измерения квантового элемента они предлагают отслеживать электрический ток, который он создаёт. Согласно расчётам, такой подход потенциально позволяет определять состояние с точностью до 99,85%.
В обычных компьютерах информация хранится в битах, каждый из которых принимает одно из двух значений — 0 или 1. Квантовые компьютеры используют кубиты, способные находиться в суперпозиции, то есть в особом состоянии, сочетающем обе возможности. Именно это свойство лежит в основе потенциальных преимуществ квантовых вычислений.
Однако суперпозиция создаёт серьёзную трудность. При прямом измерении кубита его состояние обычно сводится к одному из двух возможных результатов — 0 или 1. Исходная суперпозиция при этом разрушается. Получается, что попытка узнать содержимое кубита может уничтожить именно то квантовое состояние, которое необходимо сохранить.
Один из существующих способов решения проблемы предполагает использование вспомогательных кубитов. Они позволяют получать информацию об основном кубите без его непосредственного измерения, но усложняют устройство компьютера и требуют дополнительных операций.
Исследователи предложили другой подход, основанный на так называемых кубитах Андреева. Их квантовые состояния возникают в специальных структурах, соединяющих сверхпроводящие материалы. В рассмотренной учёными системе между двумя сверхпроводниками находится квантовая точка — крошечная область, в которой движение электронов ограничено. Она формируется в нанопроволоке из арсенида индия.
Расчёты показали, что кубит Андреева, находящийся в суперпозиции, способен создавать переменный сверхпроводящий ток даже без внешнего напряжения. Колебания возникают благодаря квантовым процессам внутри самой системы, а их характеристики зависят от состояния кубита.
Именно это свойство физики предлагают использовать для считывания информации. Вместо прямого измерения кубита отдельный прибор должен регистрировать магнитное поле, создаваемое колеблющимся током. По тому, как эти колебания изменяются со временем, можно восстановить первоначальное квантовое состояние.
Таким образом, кубит фактически сам создаёт сигнал, содержащий информацию о его состоянии. При этом отпадает необходимость передавать эту информацию вспомогательным кубитам.
Кубиты Андреева изучаются уже давно, однако возможность использовать создаваемые ими колебания тока для восстановления квантового состояния была предложена впервые. Согласно математическому моделированию, точность такого считывания может достигать 99,85%.
У метода есть ещё одно потенциальное преимущество. После обычного измерения кубит нередко приходится заново подготавливать к работе, поскольку его исходное состояние оказывается нарушено. Предложенный способ может позволить избежать такой повторной подготовки, сократив количество операций.
Впрочем, пока речь идёт исключительно о теоретическом исследовании. Учёные не создавали экспериментальную установку и не проверяли метод на реальном квантовом устройстве. Следующим шагом должно стать изготовление системы, способной регистрировать предсказанные колебания тока.
Авторы подчёркивают, что их подход не отменяет фундаментальных ограничений квантовых измерений и не гарантирует полностью безразрушительного считывания. Однако он может приблизить такую возможность, одновременно избавив квантовые компьютеры от необходимости использовать дополнительные кубиты для получения информации.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review B.
