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
Что случится с Сибирью к 2080 году: прогноз красноярских ученых и эксперта NASA
Арбузы вместо мерзлоты, большая ложка дегтя и открытый финал — в одном из самых обстоятельных исследований о будущем России...
Почти детективная история: в Ленобласти обнаружен самый большой клад серебра за всю историю
Среди находок две уникальные монеты, которых всего четыре в мире, включая, а также языческие вороны Одина… среди православных крестов...
За 320 миллионов лет Земля как минимум 4 раза опрокидывалась набок
Поразительное, но такое заваливание идет прямо сейчас. И геологи рассказали, как и почему это происходит...
Раскрыта 217-летняя тайна: искусственный интеллект взломал зашифрованное письмо Наполеона
Нейросети последних лет — это реальный прорыв: только за несколько недель было вскрыто более 30 безнадежных шифров...
Он помогал нести крест Христу: надпись на саркофаге проливает свет на библейского персонажа
2000-летний гроб был найден еще 1941 году, но ученые до сих пор не пришли к какому-то общему мнению. Почему?...
40 000-летний подводный город нашли в Турции: почему официальная наука против такой даты?
Интересно, что древний объект находится недалеко от горы Арарат, где прямо сейчас ищут легендарный Ноев ковчег...
Радиационная «бомба замедленного действия» обнаружена в Чернобыле: и они до сих пор готова «взрываться»
Новые опыты покажут, каким будет зона отчуждения для следующих поколений...
Искусственный интеллект «ненавидит»… белых мужчин: новое исследование еще раз подтвердило западный тренд
Появление нейросетей значительно ухудшило положение одной из групп белого населения в Америке и Европе...
Искусственная гравитация: ученые рассказали, появится ли вообще главная фишка из фантастических фильмов в космосе
Космические инженеры знают три способа обмануть невесомость. Но пока рабочий из них только один, да и то есть нюансы...
Тайна Мертвого моря: что «кипятит» водоем изнутри, рассказали ученые
Оказалось, что в кристалликах соли скрыта история прошедших эпох...
100-летняя страшная история с черепами у древнеегипетских гробниц наконец-то прояснилась
Неожиданно оказалось, что человеческие жертвоприношения 5000 лет назад совершались совсем не так, как описано в древних табличках...
Аура цвета индиго: как появился этот феномен и кем в итоге стали уникальные дети
Их называли будущим человечества, но чуда не случилось. Разбираемся, почему так произошло...
Главный поджигатель в истории Австралии: почему ученые обвиняют капитана Джеймса Кука в постоянных мегапожарах на Зеленом континенте?
Воскрешение традиции, которую сломали британские колонизаторы, поможет «потушить» Пылающую Австралию...
Секрет марсианского «невозможного» облака-призрака наконец-то разгадан
Как оказалось, на Красной планете работает физика, которая на Земле считалась чистой теорией...