Прорыв в создании атомных кубитов приближает создание реальных квантовых компьютеров
Привет. Появление квантовых компьютеров, способных к умопомрачительным вычислениям, уже находится на горизонте. Но каковы будут первые квантовые машины?
Технологические компании, включая IBM, Google, Microsoft и Intel, а также несколько стартапов, таких как Rigetti Computing и Quantum Circuits Incorporated, постоянно добиваются устойчивых успехов в отношении создания продвинутых квантовых компьютеров, использующих сверхпроводящие схемы, охлажденные до экстремальных температур.
Между тем две исследовательские группы продемонстрировали, что подход, который в значительной степени игнорируется промышленностью, использующей "пойманные" атомы для выполнения вычислений, может быть продвинут до нового уровня сложности и использован для выполнения полезной работы. Созданные системы не являются универсальными квантовыми компьютерами, способными выполнять какие-либо вычисления, но они говорят о том, что атомный подход может иметь больший потенциал, чем предполагалось. В работе также отмечается, что атомы могут в конечном итоге создать лучший способ превращения лабораторных систем в крупномасштабные практические квантовые компьютеры.
Сверхпроводящий подход оказался успешным отчасти потому, что инженерные методы, используемые для изготовления кремниевых схем, были отточены в течение нескольких последних десятилетий. Но квантовый компьютер можно построить с использованием широкого спектра разнообразных подходов.
Команды из Массачусетского технологического института, Университета штата Мэриленд и Национального института стандартов в Вашингтоне создали специализированные типы квантовыох вычислителей, каждый из которых мощностью более 50 кубитов, что намного выше того, что было продемонстрировано ранее. В обоих случаях исследователи создали квантовые симуляторы - машины, способные использовать аналоговые вычисления для моделирования взаимодействия квантовых частиц.
Обе системы используют атомы, но работают по-разному. Система MIT-Harvard обрабатывает 51 кубит, используя лазеры для захвата нейтральных атомов в возбужденном состоянии. Машина Maryland-NIST, которая обрабатывает 53 кубита, захватывает иттербий-ионы, используя золотые электроды. Вместе они предполагают, что альтернативный подход к построению квантовых машин может бросить вызов тому способу, который используется исследователями сегодня.
«Хотя наша система еще не является универсальным квантовым компьютером, мы можем эффективно программировать ее, контролируя взаимодействие между кубитами», - говорит Михаил Лукин, физик из Гарварда, который разработал систему в сотрудничестве с другими исследователями.
Уилл Цзэн, исследователь Rigetti Computing, компании, получившей десятки миллионов венчурных средств для проведения квантовых вычислений, говорит, что квантовое моделирование в этом масштабе является серьезным шагом. Фактически, имитация квантовых эффектов была изначальной целью квантового компьютера, предложенного физиком Ричардом Фейнманом более 40 лет назад. Теперь ученые «могут продемонстрировать некоторые из возможностей, присущих квантовым компьютерам, поэтому эти результаты впечатляют».
Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем обычные компьютеры. В то время как обычный компьютер принимает двоичные биты информации, закодированные как 1 или 0, и выполняет вычисления одно за другим, квантовый компьютер использует две контринтуитивные функции квантового механизма—запутанность и суперпозиция—для выполнения вычислений параллельно. В результате, он может работать с большим количеством информации за гораздо меньшее время. Несколько десятков квантовых битов могут выполнять вычисления на миллиарды единиц информации за один шаг.
Технология оставалась мечтой физиков в течение многих лет, но она, несомненно, имеет огромный потенциал. В настоящее время ажиотаж вокруг создания квантовых машин опять на подъеме.
50-кубитная производительность значителена, поскольку что около этой точки квантовые машины становятся способными выполнять вычисления, которые были бы трудными, если не невозможными, для работы даже на самом огромном суперкомпьютере. Некоторые ученые называют это «квантовым превосходством». Сегодня IBM, и Google разрабатывают сверхпроводящие квантовые компьютеры общего назначения, способные использовать примерно одинаковое количество кубитов.
Возможно, более значительным является то, что кубиты в новых атомных системах могут лучше подходить для дальнейшего расширения масштабов. Кубиты в твердотельных системах не идентичны, то есть система должна быть тщательно откалибрована, и это может быть сложно, поскольку размер машины придется увеличивать. Напротив, кубиты, созданные с использованием атомов, пока более сложны в управлении и не нуждаются в настройке. "Атомы - это, по сути, идеальный кубит", - говорят исследователи. Атомные системы могут оказаться легче переконфигурировать, что делает их более подходящими для решения более широкого круга проблем.
Не менее важно, что ученые еще только получают намеки о том, насколько полезны могут быть квантовые компьютеры. "Мы, вероятно, не будем знать, на что способны эти машины, пока многие инженеры и программисты не возьмутся за использование их в реальной работе. «Мы начинаем двигаться дальше, от эпохи физики к эпохе квантовой техники».
