15 июля 2021

Поставлен новый рекорд квантовых компьютеров: квантовый симулятор научили управлять 256 кубитами

Команда ученых из Массачусетского технологического института и Гарварда продемонстрировала свой новый квантовый симулятор. Он умеет управлять 256 кубитами. Это очень сложно. Квантовый симулятор на 256 кубитов ученые из Центра ультрахолодных атомов MIT-Harvard представили в своей статье, которую опубликовал журнал Nature.

Четыре года назад эта же команда удивила мир квантовым симулятором на 51 кубит. Эта разработка и легла в основу ее нового изобретения.

Принципиально квантовый компьютер отличается от привычного всем компьютера одной вещью – носителем информации.

У обычного компьютера носителем информации выступает вентиль, который словно кран открывает и закрывает поток электронов (электрический ток). Вентиль открыт – компьютер получает сигнал в виде единицы. Вентиль закрыт – для компьютера этот сигнал означает цифру "ноль". Сегодня вентилями в обычном компьютере выступают транзисторы. Из них состоят интегральные микросхемы, которые управляют действиями компьютера.

Но электрический ток, протекая через микросхемы, сильно их нагревает. Из-за этого они требуют охлаждения. Порой колоссального. Поэтому мощные компьютеры потребляют много энергии и устроены очень сложно.

Ученые и инженеры еще с момента появления первой вычислительной машины – арифмометра – все время ищут все более совершенную конструкцию компьютера. Совершенный компьютер должен быть максимально маленьким, максимально быстрым и должен минимально расходовать энергию.

​Компания Google провела крупнейшее химическое исследование на квантовом компьютереЧитайте также

С эпохи настольного арифмометра, в котором надо вертеть ручку, чтобы сложить два числа, мы дошли до крошечных микропроцессоров, которые умещаются на запястье руки. Но нет предела совершенству.

С 1980-х годов ученые пытаются создать компьютер с носителем информации в виде элементарной частицы – самого маленького, самого быстрого и самого экономного объекта во Вселенной. Поскольку элементарные частицы живут по законам квантовой механики, то и такой компьютер назвали квантовым. А единицу информации квантового компьютера назвали кубитом (quantum bit, или qubit). Напомним, что бит – это единица информации в обычном компьютере. У нее может быть всего два значения – ноль и единица. С квантовыми битами всё несколько сложнее.

Создать квантовый компьютер трудно как минимум по двум причинам: надо научиться управлять его носителями информации (элементарными частицами) и надо найти способ считывать с него информацию. Ведь жизнь элементарных частиц глазами не увидишь.

Четыре года назад физики из Массачусетса и Гарварда создали в маленькой камере облако из свободных атомов рубидия и охладили его почти до абсолютного нуля. Затем они направили на атомное облако сто сфокусированных на нем лазеров, выстроенных в ряд. Сфокусированные лучи лазера могли захватывать атомы и перемещать их в нужном исследователям направлении. Перемещения атомов лазером можно было контролировать при помощи специального микроскопа.

Так ученые научились собирать атомы в одномерный массив. Подаваемая в камеру энергия лазера возбуждала атомы рубидия, они начинали взаимодействовать между собой – самоорганизовывались.

Эту управляемую систему из атомов рубидия и оптического пинцета (устройства для управления атомами) объемом в 51 кубит исследователи назвали квантовым симулятором и написали о ней в журнале Nature в 2017 году.

​Квантовый компьютер впервые неоспоримо превзошёл классическийЧитайте также

Потом команда пошла дальше. К одному ряду лазеров добавили второй. Новая система позволила собирать атомы с помощью оптического пинцета уже в двумерные массивы (ученые получили два слоя атомов). Это увеличило объем системы с 51 до 256 кубитов.

Звучит просто, но на самом деле это колоссальная работа: расчёты, измерения, подгонка, проверка работоспособности, а потом всё по новой, пока система не будет совершать ошибки и перемешивать атомы между собой словно рисовые зернышки в чаше.

Исследователи также получили возможность с помощью более совершенного оптического пинцета составлять узоры из атомов заданной формы. Им удалось выстраивать атомы в сетки из треугольников, квадратов и шестиугольников, чтобы испытывать различные взаимодействия между кубитами.