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
«Космос-2612» против спутника-шпиона: Россия показала, что не будет мириться с американской разведкой на орбите
Почему западные эксперты считают, что противостояние на орбите выходит на более новую и крайне опасную стадию...
Что-то странное живет в старом топливе, вытекшем из затонувших кораблей во Вторую мировую войну
По словам ученых, в нефтепродуктах на дне моря «не протолкнуться»: 42 типа, 107 классов, 249 отрядов, 432 семейства, 1 047 родов микроорганизмов...
Сверхзвуковой флот США стоимостью 3,8 миллиарда долларов едва не был уничтожен детской игрушкой
По словам американских экспертов, Пентагон находится в панике. Против США применили технологию, которую разработали… американские союзники...
1319 подтвержденных случаев реинкарнации: исследование американских ученых выявило поразительные закономерности
Исследователи не знают, как объяснить механизм перерождения, но игнорировать статистику тоже не могут...
Секрет шаровой молнии раскрыт? Китайские ученые провели серию крайне необычных опытов
До разгадки феномена еще далеко, но, возможно, сделаны большие шаги в нужном направлении...
Загадочный звездный узор на знаменитой картине Ван Гога поставил точку в споре столетней давности
Выяснилось, что целая толпа литературоведов сильно ошибалась в биографии великого художника...
1600-летняя нанотехнология удивительного римского стекла, меняющего цвет, наконец-то раскрыта
У древних мастеров не было ни микроскопов, ни знаний о наномире, но почему современные ученые смогли повторить их материал только сейчас?...
Шимпанзе смогли создать свою цивилизацию, если бы 4 миллиона лет назад в их развитие не вмешался древний вирус
Новая научная работа наглядно демонстрирует, как сильно вирусы могут управлять развитием жизни на Земле. Страшно подумать, но ведь человечества могло и не быть...
Европа и Северная Америка — это… один континент: по революционной теории, Атлантический океан так и не разделил их до конца
При этом западные географы «лишились» целого континента, а в России Азия ушла в «самостоятельное плавание»...
Новая окаменелость подтверждает: предок человека появился на 200 000 лет раньше, чем считали ученые
Антропологи говорят, что доминировал тогда совсем другой вид, а в итоге выжил именно наш далекий пращур...
Марс и Луну проверят на следы древних цивилизаций: как ученые собираются это сделать
Новая технология принесет пользу, даже если исследователи не найдут инопланетян...
Что творится с климатом: почему четыре сезона в России уходят в прошлое?
Эксперт — о зимах без снега, внезапных смерчах и солнце, которое стало злее...
Горбатые киты растут гораздо быстрее в одних океанах, чем в других: что скрывается за этой аномалией?
Но, может быть, разгадка феномена проще, чем думают ученые. И она вовсе не в китах...
Зеркальная жизнь — новая угроза для человечества: способ ее обнаружить уже имеется, но есть нюансы
Стоит ли бояться уже сейчас или поверить скептикам и пока что успокоиться?...