Разработан квантовый чип на сто миллиардов спинов
Они скоро решают задачки, над которыми простые автомобили думают миллиард лет. «С их помощью преступники смогут взломать каждые армейские шифры». Таков диапазон – от дифирамбов до страшилок – обывательских представлений о квантовых компьютерах. И не смотря на то, что прикладных таких автомобилей, вычисляй, что и нет, исследования и эксперименты в данной области становятся всё увлекательнее и занимательнее.
Квантовый компьютер не первый год манит исследователей своим большим потенциалом. Принцип квантового параллелизма разрешает X квантовым битам пребывать сходу в 2X состояний, а исполнение логических операций над целой группой таких кубитов (квантовым регистром) — подобным образом ускорить вычисления, против хорошей автомобили.
Но теория — теорией, а вот построение квантовых компьютеров в металле — задачка не из лёгких. Казалось бы, физически кубиты возможно реализовать легко массой способов, выбирай любой.
Подойдут всякого рода ловушки (оптические в частности) для квантовомеханических объектов (к примеру ионов), каковые смогут не только удерживать частицы, но и заданным образом поменять их квантовые параметры и делать измерение (считывание информации).
Любой кубит может пребывать в суперпозиции «хороши» разрешённых состояний (слева), потому пространство состояний регистра, состоящего всего из трёх кубитов (правая картина), радикально «больше» единственно вероятного (на любой момент времени) состояния регистра, выстроенного из трёх битов хороших (иллюстрации Wikimedia Commons, quantiki.org).
В ряде опытов продемонстрировано, что для построения квантовых регистров возможно воспользоваться трансмонными кубитами, нейтральными атомами либо фотонами.
Увы, «громоздкость», и требовательность к условиям среды, оборудования, талантливого реализовать всего один кубит, не идёт ни в какое сравнение с хорошими микросхемами с их миллионами транзисторов на считанных сантиметрах площади. И не смотря на то, что с ростом числа кубитов в регистре производительность квантовой автомобили растёт весьма скоро, пока кроме того близко квантовые процессоры не смогут подобраться по скорости к суперкомпьютерам, щёлкающим весьма ёмкие задачи. Имеется ли тут пути для прогресса?
Как мы знаем, возможно охладить проводники в схеме до сверхпроводящего состояния и запустить в них электроны (вернее, куперовские пары), придавая им при помощи магнитных полей определённые состояния. Тем самым создаются кубиты, и выполняются квантовые операции над ними.
По такому принципу (в случае если упрощать) трудятся экспериментальные квантовые процессоры канадской компании D-Wave Systems. О ней и о её разработке (16-кубитном чипе) мы говорили в начале 2007 года. По большому счету же за пара лет существования компания прошла путь от прототипов, содержащих 7 кубитов, до чипов с 48 кубитами, повествует BCBusiness. А на данный момент в отработке и на самых первых тестах числится 128-кубитный чип с кодовым заглавием Rainier.
1024-кубитный же процессор, обещанный к концу 2008-го, — так и не создан. Но сейчас канадцы заверяют, что продемонстрируют его к Январю нынешнего.
У большинства специалистов работы и удачи D-Wave приводят к некоторому скепсису, во многом за счет того, что компания не торопится раскрывать в рецензируемых материалах все тонкости собственных новинок. Однако D-Wave оптимистична в отношении развития данной линии квантовых компьютеров. При ответе определённого класса неприятностей, уверяют канадцы, Rainier будет в 100 раз стремительнее, чем хороший компьютер класса «за $5 тысяч».
А ещё компания запустила проект по распределённым вычислениям AQUA@home (Adiabatic QUantum Algorithms), в рамках которого разрабатываются и изучаются новые методы для квантовых вычислений на адиабатических совокупностях (Adiabatic quantum computation).
Rainier – умелый прототип 128-кубитного чипа от D-Wave Systems. Опуская подробности, любой кубит тут представляет собой маленькую петлю из ниобия, находящегося в сверхпроводящем состоянии, по которой может курсировать ток по часовой либо против часовой стрелки (это базисные состояния 0 и 1) (фото D-Wave Systems).
Как видим, за два года работ D-Wave сумела шагнуть от схемы с 16 кубитами к 128-кубитному варианту. Не столь уж громадный темп. И так как по мере усложнения квантового чипа трудности будут накапливаться как снежный ком.
Потому каждые свежие идеи в данной сфере воспринимаются в мире с громадным интересом.
Сейчас революцию вместо эволюции предлагает совершить несколько учёных из Оксфорда (University of Oxford), Йеля (Yale University) и Орхуса (Aarhus Universitet). Они предлагают создать квантовый чип, основанный на миллиардах спинов, из которых возможно организовать сходу много кубитов.
Незачем упаковывать частицы в личные ловушки с отдельным управлением, рассудили авторы данной работы, давайте создадим один единственный резонатор на чипе, в котором будет «пребывать» 100 миллиардов электронных спинов. Если судить по рисунку (его мы приводим ниже), физически они будут «упакованы» в молекулы-фуллерены, но исследователи говорят, что материал возможно варьировать. Чип будет охлаждён до криогенных температур, так что электроны в нём образуют куперовские пары.
А соединённое с резонатором трансмонное окно (туннельный переход между сверхпроводниками) должно употребляться для исполнения операций.
Но как однако привести столь большой ансамбль электронов в атомах в необходимое состояние и как ими руководить? Тут имеется сходу пара качеств.
«Единственный электрон (правильнее, спин) слабо взаимодействует с внешней средой, — говорит один из авторов работы Янус Визенберг (Janus Wesenberg) из Оксфорда, — это делает его хорошей ячейкой квантовой памяти, но затрудняет перевод в возбуждённое состояние (запись) либо считывание.
В новом регистре мы используем тот факт, что коллективное сотрудничество ансамбля миллиардов спинов и микроволнового резонатора в значительной мере зависит от так именуемого результата сверхизлучения (излучение синхронного коллектива атомов, разглядываемых как единая квантовомеханическая совокупность, – прим. ред.). Это делает вероятным передачу микроволнового фотона (воображающего какой-нибудь записываемый кубит) из резонатора в ансамбль спинов за пара десятков наносекунд, в сравнении с долей секунды для одного поясницы. В то время, когда фотон поглощён ансамблем, он живёт в том месте как делокализованное возбуждение».
Схема предлагаемого устройства. В его основе – дорожки, создающие микроволновый резонатор, внешние поля и армия частиц, несущих «согласованные» поясницы электронов (иллюстрация J. H. Wesenberg не сильный al.).
Прекрасно, но так как нам необходимо добиться ситуации, в которой различные кубиты содержат электроны с различными волновыми функциями (другими словами с различными суперпозициями единичек и нулей)?
Тут вступает в воздействие ещё один фактор. Направление поясницы частицы возможно задать сильным внешним магнитным полем, растолковывают учёные. А комплект возбуждений в столь сложной совокупности возможно обрисован как спиновые волны в чипа, — говорит Янус.
Дабы их поменять, необходимо приложить к совокупности градиент магнитного поля. А дабы в один момент в совокупности существовало большое количество хороших мод таких спиновых волн, нужно при записи кубитов применять принцип, схожий с голографией — додают физики.
Совмещение этих приёмов, вычислили авторы изучения, разрешит не только в сверхпроводникового резонатора создать сходу много кубитов, но и проводить над ними «оптом» однобитные и двухбитные квантовые логические операции. (Подробности этого проекта изложены в статье в Physical Review Letters.)
А главным преимуществом совокупности авторы вычисляют тот факт, что в ней возможно руководить сходу ужасным числом спинов, без необходимости «возни» с каждым поясницей по отдельности. Наряду с этим время когерентности спинов (сохранения сцепленного состояния частиц) может быть около десятков миллисекунд. Это много по нынешним представлениям.
на данный момент учёные в Йеле и Оксфорде ведут дело к тому, дабы продемонстрировать работоспособность новой совокупности не на бумаге, а на практике. И в случае если когда-нибудь чип на много кубитов получит, его в полной мере можно будет назвать аналогом суперкомпьютеров в мире квантовых вычислений.
А до тех пор пока «монстр из миллиардов спинов» не выстроен, стоит взглянуть на другую увлекательную работу. В этом случае — практическую. Эксперты из Центра нанонауки и квантовой теории информации университета Бристоля (Centre for Nanoscience and Quantum Information) в первый раз в мире совершили вычисления на оптическом квантовом компьютере.
И не имеет значения, что сам данный компьютер был довольно примитивным, а задачка — несложна.
Создатели фотонного квантового чипа подчёркивают принципиальную масштабируемость его архитектуры. Потому, дескать, он открывает дорогу к построению более больших, всецело оптических квантовых компьютеров. Подробности – в статье в Science и пресс-релизе университета (фото Carmel King).
В качестве входных сигналов в чипе употреблялись четыре отдельных фотона. Они воображали четыре кубита. А сама схема квантового компьютера заключалась в совокупности микроскопических кварцевых волноводов, размещённых на кремниевом чипе. Сам рисунок пересечений этих волноводов кодировал нужную учёным последовательность квантовых операций.
И каков же был итог?
Оптический квантовый компьютер «попросили» отыскать простые множители числа 15, ответ был — 3 и 5. Наряду с этим употреблялся квантовый метод Шора (Shor?s algorithm). «Эту задачку намного стремительнее имел возможность бы решить любой школьник, — заявил один из авторов опыта Альберт Полити (Alberto Politi), — Но это было вправду принципиально важно для подтверждения принципа».
Поиск несложных сомножителей лежит в базе современных схем шифрования, а также — в совокупностях связи через Интернет. Так что в возможности квантовый компьютер тут может сослужить громадную работу. Так как это лишь для несложного примера использовать квантовый метод — необычно.
В случае если массив чисел, требующих обработки, окажется весьма велик, преимущество квантовых чипов в скорости покажет себя.
Оптический квантовый чип из Бристоля насчитывает в длину всего 26 миллиметров. (Что принципиально важно для будущего – при его изготовлении использовалась классическая разработка производства микросхем.) Но вот сопутствующее оборудование, разрешившее перевоплотить данный оптический чип фактически в квантовый компьютер, – занимает куда больше места (фото Science, Jonathan Matthews/University of Bristol).
Сейчас учёные неоднократно совершали маленькие шаги, приближающие эру фактически пригодных квантовых компьютеров. технологии и Новые идеи созревают в университетах и разных институтах, но когда-нибудь всё это «выстрелит».
К примеру, уже известен метод, как организовать в квантовом компьютере диагностику данных, придумано устройство, которое по требованию выдаёт строго один электрон, на кончике пера предсказана возможность создания атомов без температуры, кроме этого учёные совершили квантовую телепортацию атома на один метр, обучились хранить числа в атомарном паре и выстроили усилитель света на микрочипе.
Слева: особая аппаратура имела возможность генерировать и детектировать фотоны по одному. Справа: ещё двое участников работы – Джереми О`Брайен (Jeremy O`Brien), директор Центра квантовой фотоники (Centre for Quantum Photonic), ведущий Джонатан и автор эксперимента Мэттьюс (фото Jonathan Matthews, University of Bristol).
Никто помой-му не думает всерьёз, словно бы квантовые компьютеры заберут да и заменят все простые процессоры в некоем ярком будущем. Но квантовые совокупности в полной мере смогут отвоевать большую нишу в научных изучениях в области физики, биологии и фармацевтики и химии, а ещё — криптографии и последовательности вторых областей. Тогда, возможно, поразить либо напугать обывателя «непонятной диковинкой» уже не окажется.
К квантовым причудам, поставленным на работу человеку, попросту привыкнут.
