Российские ученые ускорили квантовые вычисления
Российские ученые и инженеры сделали важный шаг в области квантовых технологий. Участник Нижегородского НОЦ — ННГУ им. Н. И. Лобачевского вместе с МГУ им. М. В. Ломоносова и Российским квантовым центром разработали программный комплекс для проведения высокоточных быстрых квантовых операций в сверхпроводниковых регистрах. Этот комплекс был представлен на презентации фестиваля Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов руководителем направления «Квантовые технологии» ИНТЦ «Квантовая долина» Мариной Бастраковой.
Программный комплекс позволяет создавать и оптимизировать последовательности микроволновых импульсов, которые подаются на кубиты — квантовые аналоги битов, которые являются наименьшими единицами информации в квантовом компьютере. Эти импульсы определяют, какие квантовые операции будут выполнены над кубитами, а также как будет измерено их состояние. Программный комплекс также учитывает различные факторы, которые могут повлиять на точность и скорость квантовых вычислений, такие как нелинейность джозефсоновских переходов, дисперсия линий передачи, шумы и декогеренция.
Программный комплекс был протестирован на сверхпроводниковых кубитах-трансмонах, которые являются одним из самых распространенных типов кубитов в мире. Трансмон — разновидность зарядового кубита, который состоит из двух сверхпроводящих обкладок, разделенных тонким слоем диэлектрика. Трансмон имеет два основных состояния — ноль и единица, которые соответствуют разному количеству пар Купера (сверхпроводящих электронных пар) на обкладках. Трансмон отличается от зарядового кубита тем, что он менее чувствителен к шумам заряда за счет большой емкости обкладок.
С помощью программного комплекса удалось продемонстрировать высокую точность одно- и двухкубитных операций на трансмонах, а также реализовать простые квантовые алгоритмы, такие как алгоритм Дойча-Йожи и алгоритм Гровера. Эти алгоритмы показывают преимущества квантовых компьютеров над классическими компьютерами в некоторых задачах.
Алгоритм Дойча-Йожи является одним из таких примеров. Он позволяет определить, является ли заданная булева функция от n переменных постоянной или сбалансированной, то есть принимающей равное количество значений 0 и 1 для всех возможных наборов аргументов. Для этого алгоритму достаточно одного обращения к квантовому оракулу, который реализует функцию в виде унитарного преобразования над n+1 кубитами. При этом классическому алгоритму потребовалось бы 2^(n-1)+1 обращений к оракулу в худшем случае.
Алгоритм Дойча-Йожи работает следующим образом. На входе он имеет n+1 кубит, из которых n кубитов находятся в состоянии |0>, а один кубит в состоянии |1>. Затем на все кубиты применяется преобразование Адамара, которое переводит каждый кубит в суперпозицию состояний |0> и |1>. После этого на кубиты действует оракул, который меняет знак тех состояний, для которых функция равна 1. Наконец, на первые n кубитов снова применяется преобразование Адамара, а затем измеряется их состояние. Если функция постоянная, то вероятность получить все нули равна 1. Если функция сбалансированная, то вероятность получить все нули равна 0.
Алгоритм Дойча-Йожи демонстрирует, что квантовые компьютеры могут использовать параллелизм и интерференцию для решения задач эффективнее, чем классические компьютеры. Однако этот алгоритм не имеет большого практического значения, так как задача определения типа функции не является очень интересной или полезной. Кроме того, алгоритм требует идеальной когерентности и изоляции кубитов от шумов, что трудно достичь на практике.
Поэтому разработка более сложных и мощных квантовых алгоритмов является одним из актуальных направлений в области квантовых технологий. Российские ученые и инженеры продолжают работать над созданием сверхпроводниковых квантовых процессоров и развитием программного обеспечения для них. В перспективе они надеются достичь квантового превосходства — демонстрации того, что квантовый компьютер может решать задачу, которая невыполнима для любого классического компьютера за разумное время.
Программный комплекс позволяет создавать и оптимизировать последовательности микроволновых импульсов, которые подаются на кубиты — квантовые аналоги битов, которые являются наименьшими единицами информации в квантовом компьютере. Эти импульсы определяют, какие квантовые операции будут выполнены над кубитами, а также как будет измерено их состояние. Программный комплекс также учитывает различные факторы, которые могут повлиять на точность и скорость квантовых вычислений, такие как нелинейность джозефсоновских переходов, дисперсия линий передачи, шумы и декогеренция.
Программный комплекс был протестирован на сверхпроводниковых кубитах-трансмонах, которые являются одним из самых распространенных типов кубитов в мире. Трансмон — разновидность зарядового кубита, который состоит из двух сверхпроводящих обкладок, разделенных тонким слоем диэлектрика. Трансмон имеет два основных состояния — ноль и единица, которые соответствуют разному количеству пар Купера (сверхпроводящих электронных пар) на обкладках. Трансмон отличается от зарядового кубита тем, что он менее чувствителен к шумам заряда за счет большой емкости обкладок.
С помощью программного комплекса удалось продемонстрировать высокую точность одно- и двухкубитных операций на трансмонах, а также реализовать простые квантовые алгоритмы, такие как алгоритм Дойча-Йожи и алгоритм Гровера. Эти алгоритмы показывают преимущества квантовых компьютеров над классическими компьютерами в некоторых задачах.
Алгоритм Дойча-Йожи является одним из таких примеров. Он позволяет определить, является ли заданная булева функция от n переменных постоянной или сбалансированной, то есть принимающей равное количество значений 0 и 1 для всех возможных наборов аргументов. Для этого алгоритму достаточно одного обращения к квантовому оракулу, который реализует функцию в виде унитарного преобразования над n+1 кубитами. При этом классическому алгоритму потребовалось бы 2^(n-1)+1 обращений к оракулу в худшем случае.
Алгоритм Дойча-Йожи работает следующим образом. На входе он имеет n+1 кубит, из которых n кубитов находятся в состоянии |0>, а один кубит в состоянии |1>. Затем на все кубиты применяется преобразование Адамара, которое переводит каждый кубит в суперпозицию состояний |0> и |1>. После этого на кубиты действует оракул, который меняет знак тех состояний, для которых функция равна 1. Наконец, на первые n кубитов снова применяется преобразование Адамара, а затем измеряется их состояние. Если функция постоянная, то вероятность получить все нули равна 1. Если функция сбалансированная, то вероятность получить все нули равна 0.
Алгоритм Дойча-Йожи демонстрирует, что квантовые компьютеры могут использовать параллелизм и интерференцию для решения задач эффективнее, чем классические компьютеры. Однако этот алгоритм не имеет большого практического значения, так как задача определения типа функции не является очень интересной или полезной. Кроме того, алгоритм требует идеальной когерентности и изоляции кубитов от шумов, что трудно достичь на практике.
Поэтому разработка более сложных и мощных квантовых алгоритмов является одним из актуальных направлений в области квантовых технологий. Российские ученые и инженеры продолжают работать над созданием сверхпроводниковых квантовых процессоров и развитием программного обеспечения для них. В перспективе они надеются достичь квантового превосходства — демонстрации того, что квантовый компьютер может решать задачу, которая невыполнима для любого классического компьютера за разумное время.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...