Новая парадигма квантовых вычислений: игра

Автор: Национальная лаборатория Лос-Аламоса, 26 августа 2023 г.

Стратегия квантовых вычислений использует простое магнитное поле для вращения кубитов, таких как спины электронов, в естественной квантовой системе.

Использование естественных квантовых взаимодействий позволяет выполнять более быстрые и надежные вычисления для алгоритма Гровера и многих других.

Los Alamos National Laboratory scientists have developed a groundbreaking quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> подход квантовых вычислений с использованием естественных квантовых взаимодействий. Этот метод обещает более долгоживущие кубиты, эффективное решение проблем с помощью алгоритма Гровера и значительную устойчивость к ошибкам.

Потенциально революционный теоретический подход к аппаратному обеспечению квантовых вычислений позволяет обойти большую часть проблемных сложностей, присущих современным квантовым компьютерам. Стратегия реализует алгоритм естественных квантовых взаимодействий для решения различных задач реального мира быстрее, чем это могут сделать классические компьютеры или обычные квантовые компьютеры на основе вентилей.

«Наше открытие устраняет многие сложные требования к квантовому оборудованию», — сказал Николай Синицын, физик-теоретик из Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Он является соавтором статьи об этом подходе, которая была опубликована 14 августа в журнале Physical Review A. «Естественные системы, такие как электронные спины дефектов в алмазе, обладают именно тем типом взаимодействия, который необходим для нашего вычислительного процесса».

Синицын сказал, что команда надеется сотрудничать с физиками-экспериментаторами из Лос-Аламоса, чтобы продемонстрировать свой подход с использованием ультрахолодных атомов. По его словам, современные технологии в ультрахолодных атомах достаточно развиты, чтобы демонстрировать такие вычисления с использованием примерно 40–60 кубитов, чего достаточно для решения многих проблем, которые в настоящее время недоступны с помощью классических или бинарных вычислений. Кубит — это базовая единица квантовой информации, аналогичная биту в привычных классических вычислениях.

Вместо создания сложной системы логических элементов среди ряда кубитов, которые все должны иметь общую квантовую запутанность, новая стратегия использует простое магнитное поле для вращения кубитов, таких как спины электронов, в естественной системе. Точная эволюция спиновых состояний — это все, что необходимо для реализации алгоритма. Синицын сказал, что этот подход может быть использован для решения многих практических задач, предлагаемых для квантовых компьютеров.

Квантовые вычисления остаются зарождающейся областью, которой препятствуют трудности соединения кубитов в длинные цепочки логических элементов и поддержания квантовой запутанности, необходимой для вычислений. Запутанность разрушается в процессе, известном как декогеренция, поскольку запутанные кубиты начинают взаимодействовать с миром за пределами квантовой системы компьютера, внося ошибки. Это происходит быстро, что ограничивает время вычислений. Настоящая коррекция ошибок еще не реализована на квантовом оборудовании.

Новый подход основан на естественной, а не на индуцированной запутанности, поэтому требует меньше связей между кубитами. Это уменьшает влияние декогеренции. Таким образом, кубиты живут относительно долго, сказал Синицын.

Теоретическая работа команды из Лос-Аламоса показала, как этот подход может решить проблему разделения чисел с использованием алгоритма Гровера быстрее, чем существующие квантовые компьютеры. Как один из самых известных квантовых алгоритмов, он позволяет осуществлять неструктурированный поиск в больших наборах данных, которые поглощают обычные вычислительные ресурсы. Например, по словам Синицына, алгоритм Гровера можно использовать для равномерного распределения времени выполнения задач между двумя компьютерами, чтобы они выполнялись одновременно с другими практическими задачами. Алгоритм хорошо подходит для идеализированных квантовых компьютеров с коррекцией ошибок, хотя его сложно реализовать на современных машинах, подверженных ошибкам.

По словам Синицына, квантовые компьютеры созданы для выполнения вычислений гораздо быстрее, чем любое классическое устройство, но их до сих пор чрезвычайно сложно реализовать. Обычный квантовый компьютер реализует квантовые схемы — последовательности элементарных операций с разными парами кубитов.