Квантовый компьютер становится живым организмом
Один часто приводимый пример иллюстрирует ошеломляющий потенциал квантовых вычислений: машина с 300 квантовыми битами может одновременно хранить больше информации, чем число частиц в известной нам Вселенной.
Ученые Гарварда недавно представили систему, которая в 10 раз больше, и первую квантовую машину, способную работать непрерывно без перезапуска.
В статье, опубликованной в журнале Nature , группа продемонстрировала систему из более чем 3000 квантовых битов (или кубитов), которая может работать более двух часов, преодолев ряд технических проблем и представив собой значительный шаг на пути к созданию суперкомпьютеров, которые могут произвести революцию в науке, медицине, финансах и других областях.
«Мы продемонстрировали непрерывную работу системы с 3000 кубитами, — сказал Михаил Лукин, профессор Университета Джошуа, и Бет Фридман, соруководитель Инициативы по квантовой науке и инженерии и ведущий автор новой статьи. – Но также очевидно, что этот подход будет работать и для гораздо больших чисел».
В проекте, проводимом Гарвардским университетом, приняли участие исследователи из Массачусетского технологического института (MIT). Группа проводит исследования совместно с QuEra Computing, стартапом, созданным на базе лабораторий Гарварда и MIT.
Обычные компьютеры кодируют информацию — от видео на вашем телефоне до слов и изображений на этой странице — в биты двоичным кодом. Квантовые компьютеры используют субатомные частицы в отдельных атомах и используют парадоксальные свойства квантовой физики для достижения гораздо большей вычислительной мощности.
Двоичные биты хранят информацию в виде нулей или единиц. Кубиты могут быть нулём, единицей или обоими одновременно — и эта линейная комбинация амплитуд является ключом к мощи квантовых вычислений.
В обычных компьютерах удвоение числа битов удваивает вычислительную мощность; в квантовых компьютерах добавление кубитов экспоненциально увеличивает мощность из-за процесса, называемого квантовой запутанностью.
Однако создание больших квантовых систем вызвало серьезные трудности.
Системы нейтральных атомов (атомов, не имеющих электрического заряда, поскольку имеют одинаковое количество протонов и электронов) стали одной из самых перспективных платформ для квантовых компьютеров.
Но одной из трудноразрешимых проблем была «потеря атомов» — кубиты выходили из строя и теряли закодированную информацию. Этот недостаток ограничивал эксперименты одноразовыми попытками, в ходе которых исследователям приходилось останавливаться, перезагружать атомы и начинать заново.
«Мы показываем способ, с помощью которого можно вставлять новые атомы по мере их естественной потери, не разрушая при этом информацию, которая уже есть в системе».
В новом исследовании группа разработала систему для непрерывной и быстрой загрузки кубитов с помощью «оптических решётчатых конвейеров» (лазерных волн, транспортирующих атомы) и «оптических пинцетов» (лазерных лучей, захватывающих отдельные атомы и выстраивающих их в решётчатые массивы). Система может перезагружать до 300 000 атомов в секунду.
«Мы показываем способ, позволяющий добавлять новые атомы по мере их естественной потери, не разрушая уже имеющуюся в системе информацию, — сказал Элиас Трапп, соавтор статьи и аспирант факультета физики Школы искусств и наук имени Кеннета К. Гриффина. – Это действительно решает фундаментальную проблему потери атомов».
Новая система управляла массивом из более чем 3000 кубитов более двух часов — и, по словам исследователей, теоретически может продолжаться бесконечно. За два часа через систему прошло более 50 миллионов атомов.
Лукин добавил: «Этот новый тип непрерывной работы системы, включающий возможность быстрой замены потерянных кубитов, может оказаться на практике важнее, чем определенное количество кубитов».
В последующих экспериментах группа планирует применить этот подход для проведения вычислений.
Новое исследование открывает новый, быстро развивающийся фронт исследований. На этой неделе группа из Калифорнийского технологического института опубликовала работу над системой на 6100 кубитов, но та смогла проработать менее 13 секунд.
В другой статье, также опубликованной в журнале Nature, группа Гарварда и Массачусетского технологического института продемонстрировала архитектуру реконфигурируемых атомных массивов для моделирования экзотических квантовых магнитов.
«Мы можем буквально перенастраивать атомный квантовый компьютер прямо во время его работы. По сути, система становится живым организмом», - Михаил Лукин
Такой подход позволяет изменять тип подключения процессора в процессе вычислений. В отличие от этого, большинство существующих компьютерных чипов, например, в вашем мобильном телефоне или настольном компьютере, имеют фиксированный тип подключения.
Исследователи получили федеральное финансирование от Министерства энергетики США, Управления перспективных исследовательских проектов разведки, Исследовательского управления армии, Агентства перспективных исследовательских проектов обороны и Национального научного фонда.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников