Учёные предложили новую архитектуру квантового компьютера, которая может сократить вычислительные затраты в тысячу раз и позволить решать сложные задачи на устройствах, создаваемых уже сегодня. Для этого исследователи объединили две существующие технологии, каждая из которых хорошо справляется со своим типом квантовых частиц.
Несмотря на огромный потенциал, современные квантовые компьютеры испытывают трудности при моделировании взаимодействий между двумя фундаментальными семействами частиц — фермионами и бозонами. Именно эти взаимодействия лежат в основе множества физических и химических процессов.
Фермионы — это частицы, из которых состоит материя, включая электроны и протоны. К бозонам относятся, в частности, частицы, переносящие взаимодействия, например фотоны света.
Квантовые компьютеры сравнительно хорошо приспособлены для моделирования фермионов. Их свойства удобно представлять с помощью кубитов — основных единиц квантовой информации.
С бозонами ситуация сложнее. В отличие от фермионов, они способны занимать одно и то же квантовое состояние в неограниченном количестве. Чтобы воспроизвести такое поведение на обычном квантовом компьютере, приходится задействовать множество кубитов. Чем больше их требуется, тем сложнее становятся вычисления и тем выше вероятность накопления ошибок.
Команда физиков, инженеров и специалистов по информатике под руководством Элеоноры Крейн из Королевского колледжа Лондона предложила способ обойти это ограничение. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.
Идея заключается в создании гибридного квантового компьютера, который объединяет обычные кубиты с микроволновыми резонаторами — устройствами, внутри которых существуют колеблющиеся электромагнитные поля.
Такие резонаторы уже применяются в сверхпроводниковых системах. Однако исследователи предлагают использовать их непосредственно для хранения и обработки квантовой информации.
В новой архитектуре кубиты отвечают за моделирование одних квантовых состояний, а резонаторы позволяют эффективнее представлять поведение бозонов. Вместо того чтобы заставлять множество кубитов имитировать сложную систему частиц, компьютер сможет использовать физические свойства самих электромагнитных колебаний.
По расчётам исследователей, такой подход способен уменьшить объём необходимых вычислительных операций примерно в тысячу раз.
Это особенно важно, поскольку создание мощных квантовых компьютеров сегодня ограничивается не только количеством кубитов, но и ошибками, возникающими при выполнении операций. Даже небольшая вероятность ошибки постепенно превращается в серьёзную проблему, когда вычисление состоит из множества последовательных действий.
Чтобы оценить преимущества новой архитектуры, учёные создали теоретические модели нескольких квантовых систем. Среди них был делитель светового пучка — устройство, способное разделять или объединять свет, а также упрощённые модели физических взаимодействий, напоминающие крошечные вселенные.
Одна из таких моделей описывает так называемую калибровочную теорию в пространстве с двумя пространственными измерениями и одним временным. В отличие от привычного трёхмерного мира, здесь частицы могут перемещаться только в двух пространственных направлениях.
На первый взгляд подобное упрощение может показаться слишком далёким от реальности. Однако для физиков такие модели представляют особую ценность.
Системы с одним пространственным измерением зачастую слишком просты, чтобы воспроизводить интересующие учёных процессы. Полноценное моделирование трёхмерного пространства, напротив, требует чрезвычайно больших вычислительных ресурсов. Двумерные системы позволяют исследовать достаточно сложную физику, не сталкиваясь со всеми трудностями трёхмерных моделей.
Кроме того, такие задачи имеют непосредственное практическое значение. Например, графен фактически представляет собой двумерный материал. Взаимодействия в двух измерениях также играют важную роль в движении электронов внутри сверхпроводников, что имеет значение для технологий хранения энергии.
Расчёты показали, что гибридная архитектура способна значительно снизить требования к точности квантовых операций.
Если гибридный компьютер использует операции с точностью 99,9%, то для сопоставимого результата обычному компьютеру, состоящему исключительно из кубитов, потребовалась бы точность не менее 99,9999%.
Разница кажется небольшой, но с точки зрения вероятности ошибки она составляет три порядка, то есть примерно тысячу раз. Достичь столь высокой точности на обычных квантовых устройствах сегодня невозможно.
Преимущество гибридной системы объясняется тем, что ей требуется существенно меньше отдельных логических операций. Каждая такая операция несёт определённый риск ошибки, поэтому сокращение их количества позволяет уменьшить накопление неточностей.
Новая архитектура потенциально способна сократить потребность и во вспомогательных кубитах, которые используются для обнаружения ошибок. Это дополнительно освобождает вычислительные ресурсы.
Особенно перспективным исследователи считают применение технологии для изучения взаимодействий электронов с фононами — квазичастицами, описывающими колебательную энергию.
Понимание таких взаимодействий может помочь исследовать фундаментальные механизмы высокотемпературной сверхпроводимости, при которой материалы способны проводить электричество без потерь.
Но возможные применения не ограничиваются физикой материалов.
Квантовое моделирование необходимо для понимания того, как растения переносят энергию солнечного света, как некоторые материалы проводят электричество без сопротивления и каким образом лекарственные молекулы связываются со своими мишенями.
По словам исследователей, все эти задачи слишком сложны даже для обычных суперкомпьютеров. При этом во всех них важную роль играют бозоны, включая фотоны и колебательные возбуждения.
Более точное моделирование таких процессов в перспективе может способствовать созданию эффективных солнечных элементов, совершенствованию электрических сетей и разработке лекарств.
Однако, пожалуй, самое интересное в предложенной архитектуре — её потенциальная доступность в ближайшем будущем.
Для реализации гибридного подхода не требуется изобретать принципиально новые компоненты. И кубиты, и электромагнитные резонаторы уже существуют и используются в квантовых технологиях. Основная задача заключается в том, чтобы объединить их в единую вычислительную систему.
По словам Энтони Чиавареллы, специалиста по вычислительным исследованиям из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, особенно обнадёживают сравнительно скромные требования к оборудованию.
Он отмечает, что предложенную архитектуру потенциально можно реализовать на устройствах ближайшего поколения, не дожидаясь появления полноценных систем квантовой коррекции ошибок.
Более того, необходимая точность логических операций уже близка к показателям существующего оборудования. Поэтому исследование предлагает разработчикам конкретную техническую цель, а не просто отдалённую теоретическую возможность.
Пока гибридная архитектура проверена с помощью теоретического моделирования, а не в виде полноценного работающего компьютера. Тем не менее полученные результаты показывают, что путь к практически полезным квантовым вычислениям может оказаться короче, чем предполагалось.
Вместо создания всё более масштабных систем из одних только кубитов исследователи предлагают использовать разные физические компоненты для тех задач, с которыми каждый из них справляется лучше всего. Именно такое сочетание может позволить квантовым компьютерам решать сложные задачи химии и материаловедения задолго до появления больших устройств с полноценной коррекцией ошибок.
