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
Где искать миллионы индейцев, погибших от оспы: новая теория может шокировать
Ученые доказали: могилы не пропали, их никто даже не копал. Но почему так произошло?...
Защитника замка словно пропустили через мясорубку: ученые воссоздали действие супероружия XIV века
Почему историки говорят, что это было даже не война, а технологическое шоу?...
Личность пророка Моисея, возможно, раскрыта: следы ведут к легендарной царице Египта
По словам историков, новое исследование собрало максимальное количество возможных доказательств...
Маяки на «космических батарейках»: почему советское наследие оказалось очень опасным?
Когда-то отечественные инженеры отлично справились со своей задачей, но за все в этой жизни нужно платить...
Марсианский детектив: аппарат разбил лазером камни на Красной планете и нашел внутри драгоценности
Почему ученые назвали это открытие огромным прорывом в планетологии?...
Удивительная суперспособность помогла человечеству пережить последний ледниковый период
Ученые говорят: древние люди даже не дрожали от холода. Но как это у них получалось?...
Разрушен миф о глупой птице-великане: что нашли ученые в черепе додо с Маврикия?
Сейчас наука считает: нелетающий голубь весом 15 килограмм был незаслуженно оболган. На самом деле, он был совсем другим...
Жизнь на Венере или хитрая афера: кому в 2020 году понадобилось запускать ракету на соседнюю планету?
Самое поразительное в этой истории то, что главный вопрос в ней так и остался открытым...
Проект A119: как Америка хотела бороться за мир во всем мире... ядерной бомбардировкой Луны
Почему же эта сверхамбициозная программа в итоге была отменена и что напугало в ней американских генералов?...
На первом месте из 500: названы самые опасные в плане радиации профессии
С виду безобидные и престижные специальности оказались опаснее работы рядом с реактором или рентгеновским аппаратом...
Небо зеленого цвета: почему ученые считали народы Севера «цветовыми инвалидами»?
И как так вышло, что сейчас у северян с цветовосприимчивостью все замечательно?...