Квантовий панування: Google знає що робити

Здатність квантових обчислювальних машин значно перевершити по продуктивності класичні комп’ютери називається квантовим пануванням, пише MIT Technology Review.
Компанія Google стверджує, що це саме та мета, до якої вона буде прагнути.
Швидше, ніж будь-який суперкомп’ютер
Як відомо, квантові комп’ютери здатні виконувати розрахунки неймовірно високої складності, що значно перевершує можливості звичайних комп’ютерів. Фізики вже давно заявили, що квантовий комп’ютер з 50 кубітами (квантовими бітами) може перевищити за продуктивністю навіть найпотужніші сучасні суперкомп’ютери.
Але вихід за межі традиційної обчислювальної техніки, тобто досягнення квантового панування, як кажуть фізики, виявилося складніше, ніж очікувалося. Квантовий стан (будь-який дійсний стан, в якому може перебувати квантова система) дуже нестабільна і швидко змінюється. З-за цього фізики зіткнулися з великими проблемами під час практичної ізоляції квантових комп’ютерів від впливу зовнішнього світу. В результаті квантові комп’ютери сьогодні виглядають такими ж недосяжними, як і раніше.
Та існує ще один спосіб продемонструвати квантове перевагу і цей спосіб не вимагає створення універсального квантового комп’ютера, здатного виконувати різні квантові алгоритми. Так, фізики почали працювати зі спеціалізованими квантовими системами, які можуть виконувати тільки одне завдання. Якщо вони покажуть, що ця одна задача виходить далеко за межі можливостей будь-якого звичайного комп’ютера, вони вперше продемонструють квантове панування. Однак, поки що не зовсім ясно, як це зробити.
Чарльз Нейл (Charles Neill) з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі і Педрем Роушан (Pedram Roushan) з Google стверджують, що знайшли шлях до квантовому панування. Підсумки їх роботи показують, що перша демонстрація квантової технології може відбутися вже через кілька місяців.
Теоретичні основи квантової технології
Спочатку деякі пояснення: велика перевага кубітів над звичайними бітами полягає в тому, що вони можуть існувати в суперпозиції станів. Таким чином, якщо звичайний біт може приймати значення 1 або 0, то кубіт може одночасно бути як 1 і 0. Це означає, що два кубіта здатні представляти чотири числа, три кубіта – вісім чисел, а дев’ять кубітів – 512 чисел одночасно. Іншими словами, їх можливості збільшуються в геометричній прогресії.
Саме тому потрібно зовсім небагато кубітів, щоб перевершити продуктивність звичайних комп’ютерів. Всього 50 кубітів можуть становити 10 000 000 000 000 000 цифр. Класичний комп’ютер потребує петабайте пам’яті, щоб зберегти стільки чисел.
Отже, одним із способів досягнення квантового панування є створення системи, яка здатна підтримувати 49 кубітів в суперпозиції станів. Ця система не вимагає яких-небудь складних обчислень, вона просто повинна бути в змозі надійно дослідити весь простір 49-кубитной суперпозиції. Таким чином, метою Нейла і Роушана є створення суперпозиції з 49-кубітами. Все це простіше сказати, ніж зробити, але робота, яку опублікували вчені, підтверджує правильність концепції.
Рішення Нейла і Роушана
Підхід дослідників є простим. Кубіти – це квантові об’єкти, які можуть існувати в двох станах одночасно, і є безліч доступних способів цього досягти. Наприклад, фотони можуть бути поляризированы як по вертикалі, так і по горизонталі одночасно, атомні ядра можуть в той же час обертатися на осі як вгору, так і вниз, електрони здатні одночасно рухатися вздовж двох шляхів. Фізики експериментують з усіма цими системами для вирішення проблеми квантових обчислень.
Однак Нейл і Роушан вибрали інший шлях. Їх квантова система є надпровідним кубитом. Це, по суті, петля металу, охолодженого до низької температури. Налаштований струм буде проходити через цю петлю, і він буде там протікати завжди – квантове явище, відоме як надпровідність. Але ця квантова природа веде до цікавих речей: струм може протікати і в одному напрямку, і в іншому одночасно. І це дозволяє системі діяти як кубіт, який здатний одночасно дорівнювати як 0, так і 1.
Великою перевагою надпровідних кубітів є те, що їх досить легко контролювати і вимірювати. Вони також можуть бути пов’язані один з одним, коли кілька петель з струмом розташовані послідовно на одній мікросхемі. Хоча зв’язування сусідніх петель – важке завдання і вимагає іншого підходу.
Потік струму в одному напрямку або іншому – це лише конфігурація низьких енергій. Дайте більше енергії, щоб інші стани також стали можливі. Саме ці енергетичні стани, які можуть взаємодіяти один з одним, створюють більше суперпозиций. Таким чином, сусідні надпровідні петлі можуть спільно мати доступ до одного і того ж, набагато більш складного стану.
Експеримент, який зробили вчені, полягає в тому, що їх кубіти суперпроводимости можуть одночасно представляти 512 чисел. Це досить далеко від рівня, який необхідний для квантового панування, але експеримент дає переконливі докази того, що його можливо досягти.
Уразливість винаходу
Недолік нової технології полягає в тому, що ці квантові системи містять не тільки цифри, але і помилки, кількість яких також збільшується експоненціально. Якщо помилки почнуть розмножуватись дуже швидко, вони «затоплять» систему, зробивши квантове перевагу неможливим.
Основне завдання цього експерименту полягала в тому, щоб довести, що помилки в надпровідних чіпах не масштабуються швидко. Команда вчених змогла продемонструвати, що обсяг помилок збільшується повільно, що повинно дозволити створення суперпозиції до 60 кубітів. Дослідники стверджують, що завдяки отриманим результатам можна досягти квантового панування з використанням саме такої технології.
Це значний і цікавий результат. Але є важливе застереження. Створення мікросхеми з 50 кубітами можливо лише в тому випадку, якщо помилки будуть продовжувати масштабуватися так само повільно, як показала команда вчених. І це викликає чимало запитань, оскільки дослідники продемонстрували обсяг помилок при збільшенні кількості кубітів від 5 до 9. Але чи помилки масштабуватися так само повільно, коли число кубітів збільшиться з 9 до 50?
Якщо ні, то до квантового панування все ще далеко. Але якщо результат експерименту буде позитивним, то команда сподівається заявити про квантову перемогу вже в найближчі місяці.