Google окреслила шлях до квантового панування

Здатність квантових обчислювальних машин значно перевершити по продуктивності класичні комп’ютери називається квантовим пануванням. Компанія Google стверджує, що це саме та мета, до якої вона буде прямувати.

Швидше, ніж будь-який суперкомп’ютер

Як відомо, квантові комп’ютери здатні виконувати розрахунки неймовірно високої складності, що значно перевершує можливості звичайних комп’ютерів. Фізики вже давно заявили, що квантовий комп’ютер з 50 кубітами (квантовими бітами) може перевищити за продуктивністю навіть найпотужніші сучасні суперкомп’ютери.

quantum-supremacy-chip

Але вихід за межі традиційної обчислювальної техніки, тобто досягнення квантового панування, як висловлюються фізики, виявився складнішим, ніж очікувалося. Квантовий стан (будь-який допустимий стан, в якому може знаходитися квантова система) дуже нестабільний і швидко змінюється. Через це фізики зіштовхнулися з великими проблемами під час практичної ізоляції квантових комп’ютерів від впливу зовнішнього світу. В результаті квантові комп’ютери сьогодні виглядають такими ж недосяжними, як і раніше.

Та існує ще один спосіб продемонструвати квантову перевагу і цей спосіб не вимагає створення універсального квантового комп’ютеру, здатного виконувати різні квантові алгоритми. Так, фізики почали працювати зі спеціалізованими квантовими системами, що можуть виконувати лише одне завдання. Якщо вони покажуть, що це одне завдання виходить далеко за межі можливостей будь-якого звичайного комп’ютера, вони вперше продемонструють квантове панування. Однак, поки що не зовсім ясно, як це зробити.

Чарльз Нейл (Charles Neill) з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі та Педрем Роушан (Pedram Roushan) з Google стверджують, що знайшли шлях до квантового панування. Підсумки їх роботи показують, що перша демонстрація квантової технології може відбутися вже через кілька місяців.

Теоретичні основи технології

Спочатку деякі пояснення: велика перевага кубітів над звичайними бітами полягає в тому, що вони можуть існувати в суперпозиції станів. Таким чином, якщо звичайний біт може приймати значення або 1, або 0, то кубіт може одночасно бути як 1, так і 0. Це означає, що два кубіти здатні представляти чотири числа, три кубіти – вісім чисел, а дев’ять кубітів – 512 чисел одночасно. Іншими словами, їхні можливості збільшуються експоненціально.

Саме тому потрібно зовсім небагато кубітів, щоб перевершити продуктивність звичайних комп’ютерів. Всього 50 кубітів можуть представляти 10 000 000 000 000 000 цифр. Класичний комп’ютер потребує цілий петабайт пам’яті, щоб зберегти стільки чисел.

Отже, одним зі способів досягнення квантового панування є створення системи, яка здатна підтримувати 49 кубітів в суперпозиції станів. Ця система не потребує будь-яких складних обчислень, вона просто має бути в змозі надійно дослідити увесь простір 49-кубітової суперпозиції. Таким чином, метою Нейла і Роушана є створення суперпозиції з 49-кубитами. Все це простіше сказати, ніж зробити, але робота, яку опублікували науковці, підтверджує правильність концепції.

Рішення Нейла і Роушана

Підхід дослідників є простим. Кубіти – це квантові об’єкти, які можуть існувати в двох станах одночасно, і є безліч доступних способів цього досягти. Наприклад, фотони можуть бути поляризовані як по вертикалі, так і по горизонталі одночасно, атомні ядра можуть в той самий час обертатися по осі як вгору, так і вниз, електрони здатні одночасно рухатися вздовж двох шляхів. Фізики експериментують з усіма цими системами для вирішення проблеми квантових обчислень.

Однак Нейл і Роушан обрали інший шлях. Їх квантова система є надпровідним кубітом. Це, по суті, петля металу, охолодженого до низької температури. Налаштуйте струм, що проходитиме через цю петлю, і він буде там протікати завжди – квантове явище, відоме як надпровідність. Але ця квантова природа веде до цікавих речей: струм може текти і в одному напрямку, і в іншому одночасно. І це дозволяє системі діяти як кубіт, який одночасно здатний дорівнювати як 0, так і 1.

Великою перевагою надпровідних кубітів є те, що їх відносно легко контролювати та вимірювати. Вони також можуть бути пов’язані один з одним, коли кілька петель зі струмом розташовані послідовно на одній мікросхемі. Хоча зв’язування сусідніх петель – важке завдання і вимагає іншого підходу.

Потік струму в одному напрямку або іншому – це лише конфігурація низьких енергій. Дайте більше енергії, щоб інші стани також стали можливі. Саме ці енергетичні стани, які можуть взаємодіяти один з одним, створюють більше суперпозицій. Таким чином, сусідні надпровідні петлі можуть спільно мати доступ до одного і того ж, набагато складнішого стану.

Експеримент, який зробили вчені, полягає в тому, що їхні кубіти суперпровідності можуть одночасно представляти 512 чисел. Це доволі далеко від рівня, що необхідний для квантового панування, але експеримент дає переконливі докази того, що його можливо досягти.

Вразливість винаходу

Недолік нової технології полягає в тому, що ці квантові системи містять не тільки цифри, але й помилки, кількість яких також збільшується експоненціально. Якщо помилки множитимуться занадто швидко, вони «затоплять» систему, зробивши квантову перевагу неможливою.

Основне завдання цього експерименту полягало в тому, щоб довести, що помилки в надпровідних чіпах не масштабуються швидко. Команда вчених змогла продемонструвати, що обсяг помилок збільшується повільно, що повинно дозволити створення суперпозиції до 60 кубітів. Дослідники стверджують, що завдяки отриманим результатам можна досягти квантового панування з використанням саме такої технології.

Це значний і цікавий результат. Але є важливе застереження. Створення мікросхеми з 50 кубітами можливе лише в тому випадку, якщо помилки будуть продовжувати масштабуватися так само повільно, як показала команда вчених. І це викликає чимало запитань, оскільки дослідники продемонстрували обсяг помилок при збільшенні кількості кубітів від 5 до 9. Але чи будуть помилки масштабуватися так само повільно, коли число кубітів збільшиться з 9 до 50?

Якщо ні, то до квантового панування все ще далеко. Але якщо результат експерименту буде позитивним, то команда сподівається заявити про квантову перемогу вже у найближчі місяці.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: MIT Technology Review

Читайте также:

Шоломи віртуальної реальності дісталися до корів. Що-що?

Кожна технологічна компанія мріє стати банком

Tesla показала квадроцикл Cyberquad, який виявився електрифікованою версією Yamaha Raptor

Роботы и хирургия. Часть 2