Когда оракул тычет пальцем. Новая парадигма квантовых вычислений.

Стратегия квантовых вычислений использует простое магнитное поле для вращения кубитов, таких как спины электронов, в естественной квантовой системе. Источник.

В научную действительность квантовые вычисления вошли довольно давно, но ‒ несмотря на уже внушительную историю теоретических и практических успехов на этом поприще, ‒ эта сфера всё ещё остаётся зарождающейся областью. Одним из основных факторов сдерживания её развития исследователи называют сложность соединения кубитов в длинные цепочки логических элементов с поддержанием необходимой для вычислений квантовой запутанности. Она становится источником ошибок, разрушаясь вследствие взаимодействия запутанных кубитов с миром за пределами квантовой системы компьютера. Наступая довольно быстро, эта распаровка частиц, известная как декогеренция, ограничивает время расчётов. Причём проведение настоящей «работы над ошибками» для квантового оборудования пока не доступно.

И вот, похоже, проблема решена: физики-теоретики из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали новый подход к созданию аппаратного обеспечения для квантовых вычислений, который позволяет избежать большей части характерных для сегодняшнего состояния технологии проблем, внося некоторые изменения в правила игры. 

Сами авторы называют свою стратегию потенциально революционной, поскольку она использует алгоритм естественных квантовых взаимодействий для решения множества реальных проблем быстрее, чем это могут сделать классические компьютеры или обычные квантовые компьютеры на основе так называемых вентилей. Статья с описанием подхода опубликована в специализированном журнале Physical Review A.

«Наше открытие устраняет многие сложные требования к квантовому оборудованию, ‒ говорит соавтор статьи, физик-теоретик Николай Синицын. ‒ Природные системы, такие как электронные спины дефектов в алмазе, имеют именно тот тип взаимодействия, который необходим для нашего вычислительного процесса».

Снижение декогеренции.

Итак, как и было сказано, учёные отказались от главенствующей сегодня идеи сложной системы логических шлюзов среди множества кубитов, которые должны иметь общую квантовую запутанность. Вместо этого новая стратегия использует простое магнитное поле для вращения кубитов, таких как спины электронов, в естественной системе. При этом всё, что нужно для реализации алгоритма ‒ точная эволюция спиновых состояний. По словам Синицына, этот подход может быть использован для решения многих практических задач, задаваемых квантовым компьютерам.

Будучи основанным на естественной, а не индуцированной запутанности, этот метод требует куда меньше соединений между кубитами, что внушительно снижает влияние декогеренции. Таким образом, жизнь кубитов теперь несколько увеличилась.

В качестве демонстрации потенциала данной теории, команда показала, как этот подход может решить проблему разделения чисел с использованием алгоритма Гровера. Как один из самых известных квантовых алгоритмов, он позволяет осуществлять неструктурированный поиск в больших наборах данных, что буквально пожирает обычные вычислительные ресурсы. И новая парадигма не только осилила задачу, но и сделала это быстрее, чем существующие квантовые компьютеры. 

Как поясняет Синицын, алгоритм Гровера можно использовать, например, для распределения времени выполнения задач поровну между двумя компьютерами, чтобы они заканчивались одновременно с другими практическими задачами. Ещё одним достоинством, делающим этот алгоритм уместным для подобного рода испытаний, является его отличная пригодность для идеализированных квантовых вычислений с исправлением ошибок; особенно если учесть, что его трудно реализовать на современных машинах, подверженных ошибкам.

Кстати, об ошибках.

Вообще, конечно, квантовые компьютеры созданы для вычислений в темпах, намного превышающих быстродействие любых классических устройств. Однако до сих пор их было чрезвычайно сложно реализовать, ведь архитектура обычной квантовой машины строится на квантовых схемах ‒ последовательности элементарных операций с разными парами кубитов.

Лос-аламосские теоретики предложили интригующую альтернативу.

«Мы заметили, что для многих известных вычислительных задач достаточно иметь квантовую систему с элементарными взаимодействиями, в которой только один квантовый спин — реализуемый двумя кубитами — взаимодействует с остальными вычислительными кубитами, ‒ рассказывает Николай Синицын. ‒ Тогда единственный магнитный импульс, воздействующий только на центральный спин, реализует наиболее сложную часть квантового алгоритма Гровера». 

То есть получилось так, что эта квантовая операция, называемая оракулом Гровера, прямо указывает на желаемое решение проблемы, стоявшей на пути вычислений. Простое, элегантное, в чём-то даже гениальное решение.

«В этом процессе не требуется прямого взаимодействия между вычислительными кубитами и зависящих от времени взаимодействий с центральным спином, ‒ поясняет учёный. ‒ Как только установлены статические связи между центральным спином и кубитами, все вычисления состоят только из применения простых зависящих от времени импульсов внешнего поля, которые и вращают спины».  

Команда показала, что такие операции можно делать довольно быстро. Также было обнаружено, что их подход буквально топологически защищён ‒ то есть он устойчив ко многим ошибкам, к неточностям управляющих полей и других физических параметров. Причём даже без квантовой коррекции этих ошибок.

Для развития теории и практического её подтверждения команда рассчитывает привлечь к своей работе физиков-экспериментаторов из Лос-Аламоса, дабы проверить свой подход на использовании ультрахолодных атомов. По словам того же Синицина, современные технологии в этом направлении развиты вполне достаточно для демонстрации таких вычислений с использованием от 40 до 60 кубитов. А этого количества единиц квантовой информации как раз хватает для решения многих проблем, не поддавшихся пока классическим или бинарным вычислениям.

АРМК, по материалам LANL.