Двухкубитный квантовый процессор на ионах бериллия

Физики впервые продемонстрировали «универсальный» квантовый процессор. Пока, правда, совсем маломощный, зато не имеющий ограничений на характер выполняемых задач. Значит, его технология может лечь в основу будущего квантового компьютера.

Создали «универсальный» процессор физики из Национального института стандартов и технологий (NIST). Причем понятие «универсальность» в отношении созданной ими технологии не просто красивое слово, а имеет вполне определенное значение. Двухкубитным процессорам доступно выполнение довольно нехитрых программ, допустимых правилами квантовой механики — сводом законов атомного мира, однако таких программ имеется в потенциале бесконечное число. И квантовый процессор NIST может выполнять любую из этих программ.

Более ранние прототипы двухкубитных квантовых процессоров, созданных как в NIST, так и где-либо еще, создавались непосредственно под выполнение конкретных задач. Поэтому их возможности ограничивались лишь каким-либо небольшим подмножеством бесконечного множества элементарных операций для двух кубитов. «Это первый раз, когда кто-либо продемонстрировал программируемый квантовый процессор для более чем одного кубита, — сказал научный сотрудник NIST Дэвид Ханнеке (David Hanneke), основной автор работы. — Это шаг к большой цели манипулирования все большим и большим числом кубитов. Основная идея в том, что, когда вы будете иметь много этих процессоров, то сможете соединить их вместе».

Доказательство универсальности

Чтобы доказать «универсальность» работы своего процессора, физики использовали стандартный прием, традиционный не только для компьютерных наук и техники, но и, к примеру, для социологии. Ученые создали репрезентативную выборку из всех двухкубитных программ с помощью генератора случайных чисел: всего 160 специальных последовательностей операций. Для тестирования программ они также использовали 15 разных начальных состояний, а за правильностью ответа следили с помощью модельной «идеальной» системы на традиционном компьютере.

Такой подход к проведению эксперимента был необходим, чтобы доказать, что процессор работает одинаково со всеми программами. Выполняет их все и допускает одинаковое количество ошибок без систематических отклонений. При выборе программ для тестирования вручную создатели процессора могли слукавить и, зная слабые места своего детища, избежать его столкновения с неподходящими задачами.

И в этой таблице я между бором и литием

Процессор, созданный специалистами NIST чуть ранее, по сути, представляет собой сложную систему из кристаллической ловушки для ионов бериллия, нескольких лазеров и электромагнитов. Изменения в состоянии ионов — это их перемещения, которые задаются с помощью «горячего» и «холодного» лазера. Носителями информационного состояния, то есть 1 или 0, или их суперпозиции, служат сами ионы бериллия. С ними соседствуют ионы магния, которые служат для охлаждения легких элементов.

Ученые изначально заявляли о потенциальной универсальности данного процессора, а теперь смогли это доказать, одновременно доказав потенциал использования атомных ионов в качестве кубитов квантовых компьютеров вообще.

Слишком много ошибок

Особенность квантовых вычислительных систем в том, что они выдают результат, правильный только с определенной вероятностью. Ученые придумали способ достичь практически полной точности расчета: определенное увеличение операций в алгоритме может приблизить вероятность получения правильного результата к единице. В представленном эксперименте каждая программа выполнялась точно в среднем в 79% запусков из девяти сотен. Причем каждый длится около 37 миллисекунд.

Авторы отмечают, что для решения действительно серьезных задач потребуется много больше кубитов и логических операций. Основной задачей будущих исследований, полагают физики NIST, должно стать уменьшение ошибок, которые накапливаются в процессе даже успешной работы. Коэффициент точности программы нужно существенно усилить, как для того чтобы достигнуть устойчивого хода вычислений, так и для того чтобы уменьшить «издержки», необходимые для коррекции ошибок.

Банковские трансакции и сверхпроводимость

Квантовые компьютеры, если они когда-то будут построены, на основе данной или какой-либо альтернативной технологии, очень сильно изменят наш мир. Кроме значительного усиления вычислительной мощности математики и физики получат в свое распоряжение устройство с совершенно иной логикой по отношению к современным компьютерам, работающим с двоичным кодом. Одно из потенциальных применений квантовых компьютеров — криптография. Для них не составит труда расшифровать любой современный код, к примеру, защищающий банковские операции, что совершенно не под силу самому мощному современному суперкомпьютеру с его «черно-белым» мышлением.

По мнению авторов работы, их новый процессор может стать прототипом мультикубитного компонента ядра мощного процессора будущего квантового компьютера.

Но даже их «примитивное» двухкубитное устройство может уже сейчас найти фундаментальное применение. Его можно использовать как миниатюрный симулятор взаимодействий в любой квантовой системе, которая содержит два энергетических уровня. А более совершенные квантовые симуляторы смогут, возможно, объяснить физикам природу различных квантовых явлений, например высокотемпературной проводимости.

Статья с результатами работы ученых опубликована в журнале Nature Physics.

Читайте также о квантовом эффекте Гамлета, который потеснил знаменитый квантовый эффект Зенона.

Ася Парфёнова, www.infox.ru