Квантовый компьютер без вентилей: Революционное оборудование представляет новую модель вычислений
Квантовые компьютеры — мощные машины, которые могут решать задачи, невозможные для обычных компьютеров. Но они также очень сложны в создании и управлении. Каждый квантовый бит или кубит — атом или частица, которая может находиться в двух состояниях одновременно. Чтобы использовать кубиты для вычислений, нужно соединять их с помощью специальных устройств, называемых логическими вентилями. Эти вентили должны поддерживать свойство квантовой запутанности, которое позволяет кубитам влиять друг на друга на расстоянии. Но это очень трудно сделать, потому что кубиты легко теряют свою квантовую информацию из-за воздействия окружающей среды.
Но есть и другой способ создать квантовый компьютер, который не требует таких сложных вентилей. Это новый теоретический подход, разработанный физиками из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Он основан на использовании естественных квантовых взаимодействий между кубитами, которые происходят без каких-либо дополнительных устройств. Такой подход может решать многие реальные проблемы быстрее, чем классические или обычные квантовые компьютеры.
— Николай Синицын, физик-теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Вместо создания сложной системы логических вентилей среди множества кубитов, которые должны иметь общую квантовую запутанность, новая стратегия использует магнитное поле для вращения кубитов, таких как спины электронов, в естественной системе. Точная эволюция спиновых состояний — это все, что нужно для реализации алгоритма. Спины электронов могут быть направлены вверх или вниз, или быть в суперпозиции этих двух состояний. Спины электронов могут взаимодействовать друг с другом через магнитное поле, которое создается каждым спином. Это взаимодействие зависит от расстояния и угла между спинами.
Чтобы использовать спины электронов для вычислений, нужно подвергнуть их воздействию магнитного поля, которое заставит их вращаться. Вращение спинов определяет их эволюцию во времени. Эта эволюция зависит от начальных состояний спинов и их взаимодействия. Поэтому, если мы знаем начальные состояния спинов и параметры взаимодействия, мы можем предсказать, какие будут их конечные состояния после определенного времени. Эти конечные состояния содержат ответ на задачу, которую мы хотим решить.
Новый подход позволяет работать с большим количеством кубитов, чем обычные квантовые компьютеры. Команда надеется сотрудничать с физиками-экспериментаторами из Лос-Аламоса, чтобы продемонстрировать свой подход с использованием ультрахолодных атомов. По словам Синицина, современные технологии в ультрахолодных атомах достаточно развиты, чтобы продемонстрировать такие вычисления с использованием от 40 до 60 кубитов, что достаточно для решения многих проблем, недоступных в настоящее время с помощью классических или бинарных вычислений.
Новый подход основан на естественной, а не индуцированной запутанности, поэтому он требует меньше соединений между кубитами. Это снижает влияние декогеренции. Таким образом, кубиты живут относительно долго.
Команда показала, как этот подход может решить одну из самых известных задач для квантовых компьютеров — проблему разделения чисел. Эта задача состоит в том, чтобы найти два простых числа, которые умножаются друг на друга, чтобы получить заданное составное число. Например, если дано число 15, то нужно найти два простых числа 3 и 5, которые умножаются друг на друга, чтобы получить 15.
Эта задача очень сложна для обычных компьютеров, особенно если дано очень большое составное число. Но она может быть решена быстрее с помощью квантового алгоритма Гровера. Этот алгоритм позволяет осуществлять поиск по большому набору данных за меньшее количество шагов, чем классический алгоритм. Например, если нужно найти один элемент из миллиона, то классический алгоритм потребует в среднем 500 тысяч шагов, а квантовый алгоритм Гровера — только тысячу.
Но для реализации алгоритма Гровера нужно иметь много кубитов и вентилей, которые должны быть очень точными и стабильными. Это очень трудно сделать на современном квантовом оборудовании. Но новый подход может решить эту проблему с помощью естественных квантовых взаимодействий между спинами электронов. Эти взаимодействия создают эффективный квантовый алгоритм, который может разделить число за меньшее время и с меньшим количеством ошибок.
Кроме того, команда обнаружила, что их подход защищен от ошибок. Это значит, что он работает правильно даже если есть неточности в управляющих полях или других физических параметрах. Это происходит потому, что подход основан на топологических свойствах системы, которые не меняются при малых изменениях. Поэтому не нужно использовать сложную квантовую коррекцию ошибок.
Но есть и другой способ создать квантовый компьютер, который не требует таких сложных вентилей. Это новый теоретический подход, разработанный физиками из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Он основан на использовании естественных квантовых взаимодействий между кубитами, которые происходят без каких-либо дополнительных устройств. Такой подход может решать многие реальные проблемы быстрее, чем классические или обычные квантовые компьютеры.
Этот подход может быть использован для решения многих практических задач, предлагаемых для квантовых компьютеров. Например, он может помочь найти оптимальный путь между разными точками, или определить наиболее вероятное распределение частиц в системе. Наше открытие устраняет многие сложные требования к квантовому оборудованию
— Николай Синицын, физик-теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Как работает новый подход
Вместо создания сложной системы логических вентилей среди множества кубитов, которые должны иметь общую квантовую запутанность, новая стратегия использует магнитное поле для вращения кубитов, таких как спины электронов, в естественной системе. Точная эволюция спиновых состояний — это все, что нужно для реализации алгоритма. Спины электронов могут быть направлены вверх или вниз, или быть в суперпозиции этих двух состояний. Спины электронов могут взаимодействовать друг с другом через магнитное поле, которое создается каждым спином. Это взаимодействие зависит от расстояния и угла между спинами.
Чтобы использовать спины электронов для вычислений, нужно подвергнуть их воздействию магнитного поля, которое заставит их вращаться. Вращение спинов определяет их эволюцию во времени. Эта эволюция зависит от начальных состояний спинов и их взаимодействия. Поэтому, если мы знаем начальные состояния спинов и параметры взаимодействия, мы можем предсказать, какие будут их конечные состояния после определенного времени. Эти конечные состояния содержат ответ на задачу, которую мы хотим решить.
Преимущества нового подхода
Новый подход позволяет работать с большим количеством кубитов, чем обычные квантовые компьютеры. Команда надеется сотрудничать с физиками-экспериментаторами из Лос-Аламоса, чтобы продемонстрировать свой подход с использованием ультрахолодных атомов. По словам Синицина, современные технологии в ультрахолодных атомах достаточно развиты, чтобы продемонстрировать такие вычисления с использованием от 40 до 60 кубитов, что достаточно для решения многих проблем, недоступных в настоящее время с помощью классических или бинарных вычислений.
Новый подход основан на естественной, а не индуцированной запутанности, поэтому он требует меньше соединений между кубитами. Это снижает влияние декогеренции. Таким образом, кубиты живут относительно долго.
Команда показала, как этот подход может решить одну из самых известных задач для квантовых компьютеров — проблему разделения чисел. Эта задача состоит в том, чтобы найти два простых числа, которые умножаются друг на друга, чтобы получить заданное составное число. Например, если дано число 15, то нужно найти два простых числа 3 и 5, которые умножаются друг на друга, чтобы получить 15.
Эта задача очень сложна для обычных компьютеров, особенно если дано очень большое составное число. Но она может быть решена быстрее с помощью квантового алгоритма Гровера. Этот алгоритм позволяет осуществлять поиск по большому набору данных за меньшее количество шагов, чем классический алгоритм. Например, если нужно найти один элемент из миллиона, то классический алгоритм потребует в среднем 500 тысяч шагов, а квантовый алгоритм Гровера — только тысячу.
Но для реализации алгоритма Гровера нужно иметь много кубитов и вентилей, которые должны быть очень точными и стабильными. Это очень трудно сделать на современном квантовом оборудовании. Но новый подход может решить эту проблему с помощью естественных квантовых взаимодействий между спинами электронов. Эти взаимодействия создают эффективный квантовый алгоритм, который может разделить число за меньшее время и с меньшим количеством ошибок.
Кроме того, команда обнаружила, что их подход защищен от ошибок. Это значит, что он работает правильно даже если есть неточности в управляющих полях или других физических параметрах. Это происходит потому, что подход основан на топологических свойствах системы, которые не меняются при малых изменениях. Поэтому не нужно использовать сложную квантовую коррекцию ошибок.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...