Российские учёные описали способ масштабирования квантовых компьютеров

Исследователи из Российского квантового центра опубликовали статью в одном из наиболее авторитетных международных журналов в области физики Physical Review A.

Их работа описывает способ cделать квантовые компьютеры одновременно более мощными и вместе с тем менее чувствительными к внешним воздействиям.

Дело в том, что основой квантовых компьютеров являются кубиты ("квантовые биты") – частицы, способные находиться в состоянии квантовой запутанности (мы подробно рассказывали об этом тут и тут) и квантовой суперпозиции.

Последнее означает, что кубит, в отличие от классического бита, может принимать значение и нуля, и единицы одновременно. Такова его природа. Соответственно, кубиты позволяют производить вычисления на порядки быстрее. Более того, по мере увеличения количества кубитов, работающих в связке, мощность квантового компьютера растёт экспоненциально.

Но проблема в том, что кубиты – очень чувствительные товарищи. Малейшие колебания внешних условий сильно сказываются на их самочувствии и работе. Кроме того, из-за серьёзных внешних изменений (сравнимых с лёгким дуновением ветерка) кубиты ещё и перестают хорошо работать в команде.

А ведь для выполнения серьёзных задач квантовым компьютерам нужна синхронизированная работа сотен, тысяч и даже миллионов кубитов! К примеру, для анализа структуры кофактора нитрогеназы нужно четыре миллиона кубитов, а для взлома криптографического алгоритма RSA — около 20 миллионов кубитов.

Учёные значительно продвинулись в опытах по связыванию между собой больших групп кубитов и стабилизации их работы, борьбы с возникающими ошибками вычислений. Однако параллельно они предложили и испытывают ещё одну технологию – кудиты (qudits).

Эти странные "существа" отличаются от ставших привычными кубитов тем, что могут принимать не два (ноль и единица), а d значений (d = 3, 4 и так далее). Так, кутриты могут принимать три значения одновременно, кукварты четыре и так далее. Количество значений определяется природой используемых частиц и, в частности, может определяться количеством энергетических уровней той или иной частицы.

Пара кудитов, способных принимать одновременно 10 значений, обладают большей вычислительной силой, чем шесть запутанных между собой кубитов. При этом заставить работать два кудита в связке гораздо проще, чем поддержать стабильную работу шести кубитов. А 10-уровневая внутренняя структура не усложняет работу с кудитом, ведь она стабильна от природы.

В своей новой работе российские учёные продемонстрировали, что с помощью кутритов можно создать оптимальную схему одной из ключевых операций, которая используется почти во всех квантовых алгоритмах (гейт, или вентиль Тоффоли).

То есть, по сути, исследователи продемонстрировала возможность масштабирования квантовых компьютеров без наращивания количества квантовых носителей информации.

Описанная схема была опробована на сверхпроводниковом квантовом компьютере.

Учёные подчёркивают, что полученные результаты позволят значительно ускорить внедрение квантовых вычислений в индустриальную среду.

"Идея кудитных квантовых процессоров состоит в том, чтобы использовать дополнительные уровни физических систем для увеличения качества реализации квантовых операций и "более плотного" кодирования квантовой информации.

Для демонстрации схемы был выбрал сверхпроводниковый квантовый компьютер. В России в рамках проекта Лидирующего исследовательского центра идёт работа по созданию кудитного квантового компьютера на ионах", — рассказал Алексей Федоров, автор нового исследования и руководитель научной группы "Квантовые информационные технологии" в Российском квантовом центре.

Добавим, что работа была проведена при поддержке Российского научного фонда.

Российский квантовый центр (РКЦ) — некоммерческий научно-технологический центр уникального для России формата, за короткое время занявший лидирующие позиции в своей области научных исследований, а также в разработке высокотехнологичных коммерческих продуктов на основе квантовых технологий.

Команда исследователей РКЦ насчитывает более 350 ученых, включая ведущих российских и мировых специалистов. За 10 лет существования РКЦ сформировал 17 научных групп и проектов, 8 технологических стартапов, построил 16 лабораторий, организовал и провёл шесть больших международных конференций и основал три научные школы.

Именно Российский квантовый центр в 2018 году первым в мире запустил квантовый блокчейн, а сейчас участвует в проекте по созданию квантового компьютера под эгидой Госкорпорации "Росатом".

Больше важных и интересных новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".

Подписывайтесь на наши страницы в соцсетях. "Смотрим" – Telegram и Яндекс.Дзен, Вести.Ru – Одноклассники, ВКонтакте, Яндекс.Дзен и Telegram.