Исследователи американского консорциума Quantum Systems Accelerator (QSA) сделали несколько взаимодополняющих прорывов, которые помогут преодолеть ключевые барьеры на пути создания мощных квантовых компьютеров на основе ионов, пойманных в ловушки. Эти устройства, использующие для работы законы квантовой механики, обещают революцию в вычислениях.
Ионные квантовые компьютеры — одна из самых многообещающих платформ. Однако для создания действительно практически полезных машин нужно решить целый ряд сложных инженерных задач:
- увеличить число кубитов (масштабировать платформу),
- ускорить логические операции над кубитами (ионами),
- создать интерконнекты между блоками такого квантового компьютера,
- создать точные методы контроля кубитов.
Новая работа QSA, похоже, дает ответы на большую часть этих вызовов. Одной из самых насущных проблем было масштабирование. Как разместить на чипе и контролировать не десятки (как сейчас), а тысячи кубитов? Группа из Sandia National Labs под руководством Джонатана Стерка представила инновационный чип-ловушку, названную Enchilada. Его конструкция кардинально снижает потери энергии при работе (диссипацию).
Усовершенствования группы Стерка позволили создать ловушку, способную удерживать до 200 ионов. А это значительный шаг вперед. Но «Энчилада» не просто рекордсмен. Ее дизайн может стать шаблоном для будущих систем, которые будут на порядки больше, так как устраняется критическое ограничение по тепловыделению. Чип уже работает в лабораториях университетов Дьюка и Корнелла.
Но даже с большим числом кубитов скорость вычислений может быть низкой, если операции выполняются по одной. Группа Иньюэ Чжу из Университета Мэриленда нашла остроумный способ выполнять квантовые операции над несколькими ионами одновременно без взаимных помех. Ключом стало управление кубитами в разных пространственных направлениях, что задействовало независимые «вибрационные паттерны» ионов. Такой подход не просто ускоряет вычисления. Он был жизненно необходим для борьбы с «угасанием» квантовых состояний (декогеренцией). Чжу и коллеги получили возможность выполнять больше операций за ограниченное «время жизни» кубита.
Следующий шаг — создание эффективной квантовой запутанности. Обычно физики запутывают пары кубитов, но это сильно ограничивает скорость больших систем с сотнями кубитов. Команда Ора Каца из Университета Дьюка совершила «квантовый скачок»: ученые научились запутывать целую группу ионов за один шаг, используя для этого точные лазерные импульсы и эффект «сжатия». Этот метод позволяет манипулировать ионами так, что их квантовые состояния (спины) оказываются связанными между собой мгновенно и сложным образом. Достижение среди прочего открывает двери для симуляции недоступных ранее физических процессов и решения новых классов задач.
Наконец, чтобы доверять результатам вычислений и отлаживать систему, нужен контроль «на лету». Команда Дайвэя Чжу из Университета Мэриленда реализовала так называемые измерения в середине схемы. Исследователи научились с помощью точных электрических полей экранировать определенные ионы от основной цепочки, измерять их состояние, не затрагивая остальные кубиты и не создавая помех, а затем «возвращать» их обратно.
Хирургическая точность по контролю над кубитами не только позволяет отлаживать систему, но и стала основой для двух инновационных протоколов. Последние впервые позволили вычислительно доказать, что машина действительно работает на квантовом уровне, — классический компьютер может проверить результат, но не получить его самостоятельно.
Вместе все эти достижения QSA — увеличение числа кубитов, ускорение вычислений, многокомпонентная квантовая запутанность и точный контроль над ионами — решают фундаментальные инженерные проблемы, стоящие на пути создания практичных и мощных квантовых компьютеров на основе ионов.
Корреспондент Науки Mail попросил российского физика Александра Борисенко, одного из разработчиков самого мощного в России квантового компьютера на основе 50 ионов, прокомментировать достижения QSA.
Консорциум QSA продемонстрировал три важных шага в технологии квантовых вычислений на ионных ловушках — одном из самых перспективных направлений в квантовых компьютерах. Была показана чип-ловушка Enchilada (Sandia Labs), позволяющая работать одновременно с рекордными 200 кубитами-ионами, и закладывающая фундамент для создания гораздо более мощных квантовых процессоров. Проведены параллельные запутывающие операции (университет Мэриленда) для ускорения работы, подобно многоядерным процессорам, но на квантовом уровне. И использована техника запутывания состояний сразу нескольких кубитов (университет Дьюка) для выполнения более сложных расчетов. Эти инженерные решения направлены на три главные проблемы квантовых вычислителей: масштабируемость систем, их скорость и сложность решаемых задач. Преодоление этих трудностей позволит использовать квантовые вычисления, например, для моделирования молекул, открытия новых лекарств и материалов, оптимизации логистики и энергосетей там, где классические компьютеры работаю медленно. Таким образом был сделан значительный шаг к тому моменту, когда квантовые компьютеры перестанут быть экзотикой и начнут решать задачи, которые сегодня кажутся неразрешимыми.