Очередной шаг к квантовому компьютеру
В течение уже трех десятилетий лет ученые пытаются создать универсальный квантовый компьютер - устройство, способное решать любые вычислительные задачи. Команда компьютерных ученых и физиков из Калифорнии представила экспериментальный прототип квантового компьютера, который может решать широкий спектр задач, в частности, физики и химии. Этот прототип может стать образцом для больших и мощных устройств.
Один из чипов, содержащий квантовые биты - кубиты - основа прототипа квантового компьютера.
Пионерами квантовых компьютеров и их коммерциализации являются американская фирма IBM и канадская D-Wave. Однако машинам, которые они производят, пока не удается предоставить мощности (то есть эффективно увеличить количество квантовых битов - кубитов), которая нужна для решения задач, с которыми не справляются обычные компьютеры.
Теперь, похоже, компьютерные ученые из исследовательской лаборатории Google в Санта-Барбаре (Калифорния) и физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создали прототип квантового компьютера, который в перспективе способен работать лучше, чем обычные компьютеры. Принцип действия машины описали в онлайн-издании журнала Nature .
«Во многих аспектах я бы назвал эту работу впечатляющей», - утверждает Дэниел Лидар, эксперт в области квантовой компьютеризации из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе.
Основное преимущество нового образца - в сочетании двух основных подходов к созданию квантовых компьютеров. В первом подходе - цифровом - конструирование цифровых сетей происходит благодаря конфигурациям кубитов, настроенных на решение конкретной задачи. То есть, этот подход действует по аналогии с цифровых схем в обычных процессорах. Интегральной частью этого подхода является методы коррекции ошибок, которые могут нарушить вычисления. Однако такие методы могут эффективно работать только с небольшим количеством кубитов.
Другой подход называется «адиабатическим квантовым компьютингом (AQC)». В нем КомпьютЭРА кодирует определенную проблему в отдельные группы кубитов, между которыми впоследствии возникают и развиваются связи, образуя в итоге коллективный квантовое состояние, с помощью которого и достигают развязку.
Недостатком этого подхода является эффект случайных шумов, генерирует ошибки, которые невозможно так систематически исправлять, как это происходит в цифровых системах. Кроме того, нет гарантии, что этот метод эффективно решит любую проблему, - говорит компьютерный ученый, член команды Google, Реми Берендс. Однако первые коммерческие устройства удалось создать именно методом AQC. Их производит компания D-Wave в Барнэби (Британская Колумбия) и продает по цене $ 15 млн. Компания Google владеет устройством D-Wave, но в ней считают, что лучший способ применить AQC.
В частности, их интересует, как найти эффективный способ коррекции ошибок. Именно это мешает увеличению мощности AQC-компьютеров, ведь в больших системах ошибки аккумулируются быстрее. По мнению инженеров Google, это можно исправить, если совместить адиабатический подход с цифровым. Для этого они использовали ряд из девяти полупроводниковых кубитов с тонкой алюмелевой пленкой на сапфирным поверхности. Систему охладили до температуры 0,02 K, что дало алюминию сверхпроводящих свойств. Именно в этом состоянии в кубиты закодировали информацию.
Взаимодействия между соседними кубитами контролируются «логическими воротами», которые направляют их в квантовое состояние, кодирующего решение. В качестве примера, исследователи проинструктировали совокупность кубитов симулировать последовательность атомов с попарными спиновыми моментами.
Это - относительно простая проблема, с которой может справиться и классический компьютер. Но новое устройство Google может справляться и с «стохастическими» проблемами, что не под силу классическим компьютерам. Это, в частности, симуляция взаимодействия между многими электронами, которая очень нужна для точных химических расчетов. Кстати, способность симулировать поведение молекул на квантовом уровне может стать одним из самых ценных применений квантовых компьютеров.
«С функцией коррекции ошибок наш подход имеет шансы стать ведущим алгоритмом, на основе которого можно создать квантовый компьютер любой произвольной величины», - говорит член команды Google Алиреза Шабани.
Устройство Google до сих пор является лишь прототипом. Но Дэниел Лидар считает, что уже через несколько лет реальностью станут более 40-кубитни компьютеры.
Способность симулировать стохастические процессы, в частности динамику взаимодействия элементарных частиц, очевидно, станет той точкой отсчета, которая засвидетельствует преимущество квантовых компьютеров над классическими и ознаменует их пришествие как технологии будущего.