Ученые строят квантовые компьютеры на разных физических «основаниях»: сверхпроводниковых схемах, ионах, нейтральных атомах, фотонах. Эти платформы считаются самыми перспективными. Однако у каждой из них есть сильные стороны и слабые места. Исследователи из Российского квантового центра (РКЦ), МИСИС, Математического института им. В. А. Стеклова РАН и МФТИ предложили еще один перспективный вариант — использовать в качестве основы для квантового вычислителя ультрахолодные полярные молекулы. Теоретическое обоснование этой идеи они представили в своем исследовании в журнале Physical Review Research.
Почему именно молекулы, а не одиночные атомы или ионы как раньше? Дело в их внутреннем устройстве. Ключевую роль здесь играет так называемая энергия вращения. В квантовом мире молекула не может крутиться с любой скоростью — только с определенными, строго фиксированными значениями. Эти значения представляют собой своего рода ступени лестницы (уровни), а не наклонный пандус. Каждому такому значению соответствует одно или несколько квантовых состояний. Именно эти состояния ученые и предлагают использовать для хранения и обработки информации - в качестве нулей, единиц и так далее.
Многоуровневость получается за счет того, что у молекулы есть «энергия вращения». Она, как это часто бывает в квантовой механике, может принимать только определенные дискретные значения. Каждому такому значению энергии соответствует одно или несколько состояний. Собственно эти состояния мы и используем.
Обычный кубит оперирует двумя уровнями — условными 0 и 1. А молекула может иметь три, четыре и даже пять таких уровней. В квантовой физике такие многоуровневые системы называют кудитами. На их основе уже созданы самые мощные в России квантовые вычислители. Но на этот раз российские ученые пошли дальше: они показали, что на полярных молекулах можно строить полноценный масштабируемый процессор.
Основа вычислений — ультрахолодные полярные молекулы
Зачем нужны именно полярные молекулы? Полярность молекул не влияет на многоуровневость, но она выполняет другую важную функцию с точки зрения будущих расчетов. Полярные молекулы имеют небольшой «избыток» положительного заряда на одном конце и отрицательного — на другом. Благодаря этому соседние молекулы «чувствуют» друг друга и могут взаимодействовать.А взаимодействие — основа для запутывания квантовых частиц. Напомним, что квантовая запутанность наряду с суперпозицией — ключевые свойства, которые и определяют выдающуюся мощь квантового процессора.
Используя компьютерное моделирование, физики «собрали» два гипотетических процессора из разных полярных молекул: фторида стронция и соединения цезия с натрием. Расчеты показали, что обе платформы позволяют выполнять универсальный набор логических операций с кудитами, имеющими три, четыре и пять состояний. При этом время выполнения одной квантовой операции оказалось меньше типичного времени жизни «квантовой ячейки памяти». Это означает, что у экспериментаторов будет запас времени для проведения необходимых расчетов в квантовом процессоре на основе молекул SrF и NaCs.
Преимущества и недостатки нового решения
Какие преимущества дает использование пяти уровней вместо двух в «классическом» кубите? Во-первых, для выполнения сложных квантовых алгоритмов нужно будет использовать меньше физических молекул. А чем меньше частиц надо удерживать в ловушках, тем проще проводить любой эксперимент. Во-вторых, при помощи ультрахолодных полярных молекул проводить расчеты можно будет быстрее — за счет того, что дополнительные уровни позволяют выполнять несколько операций параллельно или более эффективно кодировать информацию.
Наличие пяти уровней, вместо двух, позволяет нам иметь физически меньшее количество молекул — что выгодно с экспериментальной точки зрения, потому что нужно меньше молекул контролировать. И сложные квантовые алгоритмы будут выполняться быстрее, за счет использования дополнительного уровня.
Однако не обошлось и без минусов. Управлять молекулами сложнее, чем ионами или атомами. Это означает, что в будущем инженерам придется придумать более изощренные способы адресации к нужному состоянию «подорытных» молекул.
Кроме того, пока еще довольно трудно удерживать в ловушке большое количество молекул — они более «непослушны» по сравнению с отдельными атомами. Как бы то ни было, сама идея выглядит многообещающей. Российские исследователи уже построили модель запутывающей операции между двумя полярными молекулами и готовятся к следующим шагам. Пока доподлинно не известно, на какой платформе через несколько лет будет реализован по-настоящему мощный квантовый компьютер. Вполне возможно, что полярные молекулы также найдут применение в определенных областях квантовых вычислений.
Ранее мы рассказывали о самом мощном коммерческом квантовом вычислителе и о том, как в квантовых расчетах используется машинное обучение.
