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.

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.