Первый программируемый логический квантовый процессор.

Команда под руководством квантового эксперта Михаила Лукина (справа) добилась прорыва в области квантовых вычислений. Долев Блювштейн, к.т.н. студент лаборатории Лукина, был первым автором статьи. Источник.

Учёные Гарварда преодолели ключевой рубеж в поисках стабильных масштабируемых квантовых вычислений. До этого сверхвысокоскоростная технология, перспективы которой сулили нам революционные достижения в различных областях, по сути, уже много лет просто «кормила нас завтраками».

Уже более двух десятилетий квантовые вычисления дразнили физиков и инженеров своей принципиальной возможностью. Будучи единицей информации с гораздо большими возможностями, чем двоичный бит классических вычислений, теоретический кубит и в самом деле мог явить миру квантовый компьютер, манипулирующий физическими квантовыми частицами на базе атомов, ионов или фотонов.

Однако использовать странности квантовой механики для вычислений оказалось куда сложнее, чем просто накопить достаточно большое количество кубитов. Эти самые «единицы данных» проявили себя далеко не с лучшей стороны ‒ они весьма капризны и до безобразия требовательны к «среде обитания». Эта их природная необузданность то и дело выливалась в потерю квантовых состояний, чем окончательно путала карты научному сообществу.

Однако не это оказалось самым трудным: «настоящие деньги мира» в этой сфере ‒ это так называемые логические кубиты. Эти пакеты лишних физических кубитов обладают сверхспособностью к исправлению ошибок и могут хранить информацию для использования в квантовом алгоритме. И пусть их создание ‒ задача уже решённая, но вот разработка управления ими ‒ совсем другое дело. Всё это время трудности именно этого этапа были фундаментальным препятствием для реализации вычислений.

Сегодня считается, что до тех пор, пока квантовые компьютеры не смогут надёжно работать на логических кубитах, технология не сможет по-настоящему развиваться, а тем временем лучшие вычислительные системы до сих пор демонстрировали только один или два логических кубита и лишь одну операцию квантового шлюза между ними, что эквивалентно всего одной единице кода.

Но, похоже, наука нащупала брод в этой квантовой трясине.

Команда исследователей под руководством Михаила Лукина, профессора физики из Университета Джошуа и Бет Фридман и соруководителя Гарвардской квантовой инициативы, создала первый программируемый логический квантовый процессор, способный кодировать до 48 логических кубитов и выполнять сотни операций. Возможно, это звучит не столь феерично, но это отличное начало, ведь для всех предыдущих разработок в этом направлении такой результат просто недосягаем.

Полученная система является первой демонстрацией крупномасштабного выполнения алгоритмов на квантовом компьютере с коррекцией ошибок. Сам этот факт (не говоря уже о деталях в виде результатов) знаменует появление ранних отказоустойчивых или надёжно непрерывных квантовых вычислений.

Сам Лукин, рассказывая об этом достижении называет его возможным переломным моментом, по грядущему ажиотажу и своему значению в ИТ-среде сравнимым разве что с появлением искусственного интеллекта. Учёных радует и вдохновляет то, что идеи квантовой коррекции ошибок и отказоустойчивости, уже давно выдвигавшиеся в теории, наконец-то начинают приносить плоды.

«Я думаю, это один из моментов, когда становится ясно, что грядёт что-то особенное, ‒ говорит профессор. ‒ Хотя впереди ещё есть проблемы, мы ожидаем, что это новое достижение значительно ускорит прогресс в создании крупномасштабных и полезных квантовых компьютеров».

Лукин занимается этой проблемой не один год, так что описываемый сегодня прорыв гарвардской команды основан на его многолетней работе над архитектурой квантовых вычислений. Эта разработка, названная массивом нейтральных атомов, впервые реализована как раз в его лаборатории. 

Ключевым компонентом нового подхода к реализации вычислений является блок ультрахолодных взвешенных атомов рубидия. Здесь, в качестве физических кубитов системы, его атомы могут перемещаться и соединяться в пары квантовой запутанности по ходу вычислений. Эти запутанные пары атомов образуют шлюзы, предстающие единицами вычислительной мощности. Кстати, несколько раньше в своих работах команда уже демонстрировала довольно низкий уровень ошибок в операциях с запутыванием, так что у них есть все основания утверждать, что надёжность системы массивов нейтральных атомов имеет экспериментальное подтверждение.

Отдельные физические кубиты (например, из атомов рубидия) довольно хрупки, и, чтобы свести к минимуму вызываемые этим ошибки, можно образовать квантовую запутанность атомов. Так получается единый «логический кубит». Скопление же таких взаимосвязанных кубитов образует отказоустойчивую квантовую схему. Источник.

С помощью своего детища ‒ логического квантового процессора ‒ исследователи теперь демонстрируют параллельное мультиплексное управление целым набором логических кубитов с помощью лазеров. Этот результат более эффективен и масштабируем, чем необходимость контролировать отдельные физические кубиты.

«Мы пытаемся обозначить переход в этой области к началу тестирования алгоритмов с использованием кубитов-с-исправлением-ошибок вместо физических и открыть путь к более крупным устройствам», ‒ говорит первый автор статьи Долев Блувштейн из Школы искусств и наук Гриффина, кандидат наук, студент лаборатории Лукина.

«Этот прорыв является проявлением силы квантовой инженерии и дизайна, ‒ продолжает мысль Дениз Колдуэлл из Национального научного фонда, помощник директора поддержавшего исследование Управления математических и физических наук. ‒ Команда не только ускорила разработку квантовой обработки информации с помощью нейтральных атомов, но и открыла новую дверь для исследований крупномасштабных логических кубитовых устройств, которые могут принести преобразующую пользу науке и обществу в целом».

Учёные продолжат работу над наращиванием числа возможных типов операций, которые можно будет применять к 48 логическим кубитам. Также в планах значится совершенствование настройки системы и средств обеспечения её непрерывной работы. Сегодня деятельность учёного и его команды поддерживают не только официальные образовательные и административные институты вплоть до министерства обороны. Их плоды также коммерциализирует компания QuEra, которая недавно заключила лицензионное соглашение с Управлением технологических разработок Гарварда на портфель патентов, основанный на инновациях группы Лукина.

АРМК, по материалам Гарвардского университета.