Научпоп

13 августа, 20:02

Эксклюзив НВ

Почти абсолютный ноль. Новое открытие японских физиков решает главную проблему квантовых компьютеров

Атомы металлического рубидия в газообразном состоянии, охлажденные почти до абсолютного нуля можно использовать для создания надежных квантовых вентилей. Это открытие может помочь человечеству приблизиться к эпохе квантовых компьютеров.

Недавно в лабораториях квантовых вычислений Google создали настоящий темпоральный (или временной) кристалл. Это новая форма материи, которая может стать нашим проводником в будущее.

Временной кристалл можно использовать в качестве кубитов, причем с чрезвычайно низким энергопотреблением, что стало бы идеальной основой для квантовых компьютеров.

Недавно финские физики из Университета Аалто сумели объединить два временных кристалла в единую систему. Такие системы — это основа квантовых микросхем, фундаментальных блоков квантовых компьютеров. Это что-то вроде микрочипов для обычных компьютеров, кризис с поставками которых тормозит весь мир уже несколько лет.

Подпишитесь, чтобы прочитать целиком

Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой

Подписаться
Первый месяц 1 ₴. Отписаться можно в любой момент

Чтобы квантовый компьютер работал, ему нужен «прокачанный» логический вентиль. Это базовый элемент, который преобразует множество входных сигналов в единый логический сигнал, который и приводит в действие мотор квантового компьютера — его процессор.

Однако логический вентиль — это логическая операция, которая питает современные компьютеры. Квантовым компьютерам нужны, как несложно догадаться, квантовые вентили, которые будут работать не с битами, а с кубитами.

Что такое кубит?

Кубит — это сокращение от термина квантовый бит и его заменитель в квантовых технологиях. Если бит — это минимальная одиница в обычных компьютерах, то кубит — в квантовых.

Сейчас все логические сигналы поступают в процессор компьютера при помощи двоичной системы счисления. В ваших ноутбуках биты существуют лишь в двух состояниях — 0 или 1. Кубиты могут находиться в суперпозиции, то есть в двух состояния одновременно — и 0, и 1, что и дает им огромное преимущество перед современными технологиями.

Сам по себе кубит не является компьютером. Однако, если связать сразу несколько кубитов между собой так, чтобы состояние каждого из них соответствовало состоянию остальных кубитов из общей системы, можно получить мощную машину, которая сможет проводить вычисления с невиданной до сих пор скоростью.

Чем больше кубитов в квантовом компьютере, тем больше возможных состояний ему доступны. Один кубит добавляет одну степень к 2. Два кубита даст 4 возможных состояния (2²); десять кубитов — 1024 (2¹º) и так далее. Благодаря этому квантовые компьютеры потенциально могут перебирать варианты и решать задачи намного быстрее.

Квантовый вентиль

Квантовый вентиль является основой для создания квантовой микросхемы. Он работает на небольшом количестве кубитов (обычно двух или четырех) и выполняет ту же роль, что и логические вентили в обычных компьютерах: переводят информацию и понятный для квантового компьютера «язык», таким образом вращая шестеренки его механизмов.

Например, двухкубитный вентиль — это логическая операция, основанная на квантовом состоянии двух запутанных между собой кубитов. Однако главной проблемой для таких операций является нестабильность связи кубитов, которая нарушается из-за минимальных изменений в окружющей среде. Это приводит к ошибкам в работе квантовых компьютеров — а какой нам смысл от быстрых расчетов, если они неточные?

Чтобы связь кубитов не разрывалась, они должны находиться в достаточно экстремальной среде. Кроме того, ученые предполагают, что ускорение работы вентиля поможет избежать ошибок, поскольку так окружающая среда будет «не успевать» повлиять на кубиты и провоцировать ошибки. Возможность исключить эти ошибки будет ключом к дальнейшим разработкам квантовых компьютеров и их масштабированию.

Для этого группа исследователей во главе с физиком Йилаем Чу из Национального института естественных наук Японии использовали атомы металлического рубидия в газообразном состоянии, предварительно охладив их до почти абсолютного нуля. С помощью оптического пинцета — чрезвычайно маленьких лазеров — ученые разместили их на микронно-точном расстоянии друг от друга.

Воздействуя на атомы лазерами, физикам удалось выполнить операцию квантового вентиля между ними. Скорость операции составила 6,5 наносекунд  — более чем в 100 раз быстрее, чем в любых предыдущих подобных экспериментах.

Ученые уверены, что замена лазера на специально созданный для этой конкретной задачи поможет проводить операцию еще быстрее. По их мнению, коммерческий лазер также является частью окружающей среды для кубитов, и влияет на их работу. Специально созданное устройство потенциально поможет еще больше ускорить работу квантового вентиля и наконец разработать архитектуру для раотающего квантового компьютера.

Другие новости

Все новости