Физики изобрели квантовый компьютер с памятью на вибрациях

В Швейцарской высшей технической школе Цюриха изобрели и испытали квантовый компьютер с памятью на вибрациях. Результаты экспериментов обнародовал журнал Science.

За образец новой архитектуры физики сознательно взяли классические цифровые ЭВМ, в которых центральный процессор обрабатывает данные, которые хранятся отдельно в оперативной памяти. Различия в способе хранения информации.

«В нашей квантовой оперативной памяти информация хранится не электромагнитным способом, как это обычно принято сегодня, а в форме механических колебаний», — говорит профессор Ивэнь Чу, руководившая исследованием.

Чтобы выполнить расчеты, кубит обращается к определенному фрагменту информации — то есть к конкретному колебанию — в квантовой памяти, обрабатывает и изменяет его, а затем записывает обратно.

«Если говорить конкретнее, наш квантовый чип содержит так называемые механические резонаторы — крошечные компоненты, которые начинают вибрировать, когда в них сохраняется информация», — рассказывает физик.

Подобно струнам гитары, которые издают разные тона в зависимости от характера колебаний, резонаторы также могут вибрировать множеством различных способов — их называют модами колебаний. На языке информатики эти моды соответствуют количеству доступных ячеек памяти.

Внутри мод, в свою очередь, можно реализовать различные колебательные состояния. Они относятся к конкретному состоянию вибрации в каждый момент времени, в котором информация сохраняется так, чтобы к ней можно было гибко обращаться и снова записывать. С точки зрения теории информации, эти состояния соответствуют содержимому ячеек памяти.

Однако в квантово-физическом смысле эти состояния кардинально отличаются и от гитары, и от цифрового компьютера. Колебания струны подчиняются законам классической физики, а квантовый чип работает по законам квантовой механики.

Они, как известно, допускают суперпозиции состояний, поэтому квантовые компьютеры, не ограниченные только нулями и единицами, могут решать некоторые сложнейшие задачи эффективнее классических машин — или даже справляться с моделированием, которое обычным компьютерам вообще не по силам.

В большинстве случаев данные для квантовых вычислений хранят в форме электромагнитных колебаний — этот способ хорошо изучен и отработан. Но такая память довольно громоздка и плохо масштабируется.

Механические резонаторы гораздо компактнее. Они также обеспечивают большую емкость хранения, поскольку поддерживают множество различных мод колебаний и, следовательно, могут хранить больше информации одновременно, чем электромагнитная память. Кроме того, они дольше удерживают квантовые состояния стабильными, без затухания колебаний и потери информации.

В работоспособности новой архитектуры убедились, построив экспериментальный квантовый компьютер на одном сверхпроводящем кубите, к которому присоединили три вибрирующие ячейки памяти. Все вместе охладили почти до абсолютного нуля.

Проверили на двух задачах, которые считаются бенчмарками для квантовых систем — квантовое преобразование Фурье и поиск периода — и достигли точности однокубитных операций  95,9%, сложных двухкубитных — 89%.

«Квантовое преобразование Фурье — это фундаментальная вычислительная процедура, необходимая для многих квантовых алгоритмов. Алгоритм поиска периода, который мы реализовали, послужил демонстрацией того, как можно применять эту процедуру», — подчеркивает физик Игорь Кладарич, соавтор статьи.

Оба метода требуют, чтобы квантовая вычислительная система могла одновременно точно управлять, хранить и когерентно связывать множество квантовых состояний. Если это получилось — результат достигнут.

Достаточно мощный и надежный квантовый компьютер с памятью на вибрациях, пригодный к практическому применению в науке и промышленности, появится еще не скоро — но начало положено.

Физики создали первый в мире механический кубит

Китай представил первую в мире оперативную память для квантового компьютера

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX