Учёные университета Сиднея разработали крошечный кристалл, который по своей вычислительной мощности оставит далеко позади все сегодняшние самые современные компьютеры.
«Вычислительные технологии сделали огромный шаг вперёд благодаря использованию кристалла, состоящего всего из 300 атомов, парящих в пространстве», — отметил доктор Биркук из Университетской школы физики.
«Разработанная система обладает потенциалом выполнения такого объёма вычислений, для которого нужен современный суперкомпьютер размером большим, чем размер вселенной, и это притом, что наша разработка в диаметре менее миллиметра, — отметил ученый. — Проектная мощность экспериментального квантового компьютера превосходит нынешние суперкомпьютеры в единицу с 80 нулями раз».
Потребности человечества в вычислительных мощностях постоянно растут. В 1947 году американский инженер Ховард Айкен сказал, что для удовлетворения всех потребностей в вычислениях такой страны как США достаточно всего шесть ЭВМ. Правда, Ховард не брал во внимание задачи индивидуальных пользователей, а также учёных и инженеров. За прошедшие годы мощность компьютеров увеличилась в миллиарды раз. Если закон Мура останется в силе, то после 2020 года электрические цепи микропроцессоров достигнут атомарного уровня. Следующий логический шаг — переход к использованию квантовых компьютеров, которые способны выполнять определенные вычисления намного быстрее, чем кремниевые чипы.
О значительном потенциале квантовых вычислений ещё в 1980-х говорил нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard Feynman). Ученые тогда попытались построить квантовый компьютер, способный решать с ложные проблемы широкого профиля. Ведь специализированные квантовые симуляторы имеют огромный потенциал для решения множества проблем в материаловедении, химии, биологии.
Напомним, что квантовый компьютер представляет собой вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Он принципиально отличается от традиционных ЭВМ, работающих на основе классической механики. Пока что полномасштабный квантовый компьютер является гипотетическим устройством, ведь его создание связано с серьёзным развитием квантовой физики.
Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: в системе квантовых битов, так называемых кубитов, записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. Получаемое в итоге значение и есть результат работы компьютера. Роль проводов классической ЭВМ играют кубиты, а роль логических блоков играют унитарные преобразования.
С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Таким образом, новая схема способна работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической.
Разработанный австралийскими исследователями кристалл превосходит все предыдущие попытки обеспечить программируемость и критический порог кубита, необходимого для того, чтобы симулятор превысил возможности современных ЭВМ.
Квантовое устройство использует кристал в форме блина из 300 бериллиевых ионов , которые по словам Биркука, группа учёных построила «атом за атомом» с использованием лазерной установки, насосов и вакуумной камеры, при этом все необходимое оборудование заняло только одну комнату.
«Многие свойства натуральных материалов, управляемых законом квантовой механики, очень сложны для моделирования при использовании обычных компьютеров. Ключевая концепция квантовых симуляций состоит в построении квантовой системы для обеспечения анализа поведения других физических систем», — резюмировал Биркук.