DARPA заявила, что построила первую в мире квантовую схему на логических кубитах

Команда исследователей, работающих в рамках программы DARPA под названием «Оптимизация с помощью шумных квантовых устройств среднего масштаба» (ONISQ), достигла важного прорыва, создав первую в мире квантовую схему с использованием логических кубитов. Это открытие имеет огромный потенциал для ускорения отказоустойчивых квантовых вычислений и может перевернуть представление о проектировании процессоров для квантовых компьютеров.


Программа ONISQ началась в 2020 году. Ее цель: продемонстрировать количественное преимущество квантовой обработки информации за счет скачка производительности классических суперкомпьютеров для решения особенно сложного класса задач, известных как комбинаторная оптимизация. Программа преследовала гибридную концепцию, объединяющую «шумные» — или подверженные ошибкам — квантовые процессоры среднего размера с классическими системами, ориентированными именно на решение задач оптимизации, представляющих интерес для оборонной и коммерческой промышленности. Команды были отобраны для изучения различных типов физических, нелогических кубитов, включая сверхпроводящие кубиты, ионные кубиты и атомные кубиты Ридберга.

Квантовое вычисление, основанное на концепциях, которые кажутся почти магическими или безумными, обладает потенциалом изменить наше представление о компьютерах, какими мы привыкли их видеть. Путем использования квантовых эффектов и сложных математических подходов, квантовое вычисление способно ускорить обработку данных на порядки по сравнению с классическими компьютерами и расширить границы многих областей науки. Это открывает новые возможности для исследований и технологического прогресса.

Все это выглядит грандиозно, но возникают сложности при переходе квантовоых вычислений из экспериментальной фазы. Одной из причин является недопустимо завышенный уровень ошибок, объяснимый тем, что вместо двоичной системы единиц и нулей классического вычисления, что-то может быть единицей или нулем или и тем и другим сразу.

Необходимо отыскать подход, при котором «шумные» процессоры могут быть превращены в реально работающие путем их сочетания с классическими системами. В случае DARPA было принято решение сосредоточиться на решении оптимизационных задач, связанных с обороной и промышленностью. Команда исследователей разработала логические кубиты, которые находятся на более высоком уровне абстракции и действуют подобно квантовым алгоритмам, основанным на кубитах Ридберга. Эти кубиты Ридберга являются физическими компонентами, работающими как двустепенная квантовая система.


— доктор Мукунд Венгалаторе, менеджер программы ONISQ в DARPA’s Defense Sciences Office.

Гомогенность кубитов Ридберга позволяет быстро их масштабировать и удобно управлять ими, перемещаясь по квантовой схеме с использованием лазеров. Это преодолевает текущие ошибочные методы выполнения операций с кубитами, требующие их последовательного подключения, что приводит к распространению ошибок по всей матрице. Теперь мы можем рассмотреть динамическую переконфигурацию кубитов на квантовой матрице, где уже при выполнении квантовых схем ученые не ограничены последовательным процессом выполнения.

Отныне появилась возможность перемещать все сборки кубитов в произвольные места матрицы, используя лазерные пинцеты, выполнить операцию и вернуть их в исходное состояние. Динамически переконфигурируемые и переносимые логические кубиты Ридберга открывают совершенно новые подходы к проектированию и созданию масштабируемых квантовых процессоров.

На сегодняшний день DARPA смогла интегрировать 48 логических кубитов, однако для реализации квантовых компьютеров их будет нужно гораздо больше. Тем не менее, не придется интегрировать миллионы кубитов, как изначально предполагалось для надежной работы квантового компьютера.


— доктор Гвидо Дзуккарелло, технический советник DARPA.

Технические подробности прорыва гарвардской команды были опубликованы в статье в журнале Nature.