Российские физики из НИТУ МИСИС, МФТИ, Сколтеха, Российского квантового центра, МГУ и МИАН им. В. А. Стеклова предложили новую архитектуру квантового компьютера на нейтральных атомах. Разработка решает одну из главных проблем масштабирования таких систем и открывает путь к созданию мощных вычислительных машин.
Нейтральные атомы считаются одной из самых перспективных платформ для квантовых вычислений. Кубиты на их основе стабильны и позволяют управлять собой с помощью оптических ловушек. Однако у этого подхода есть один, но серьезный недостаток: атомы взаимодействуют друг с другом только на очень малых расстояниях. Это не позволяет напрямую передавать квантовую информацию между удаленными друг от друга кубитами. Хотя это критически важно для организации вычислений.
Ученые из России предложили элегантное решение. Они хотят разделить все атомы в процессоре на два типа. Первые — вычислительные кубиты — остаются неподвижными в массиве оптических ловушек и непосредственно выполняют вычисления. Вторые — кубиты-передатчики — это специальные «подвижные» атомы, которые играют роль квантовых курьеров. Такой атом будет отправляться к одному вычислительному кубиту, «забирать» его квантовое состояние, затем перемещаться к другому и передавать таким образом информацию. После этого такой «курьер» может быть утилизирован или использован повторно.
Существующие квантовые процессоры на нейтральных атомах напоминают город, в котором можно разговаривать только с ближайшим соседом. Чтобы отправить сообщение на другой конец города, придется передать его от человека к человеку, и каждый раз смысл будет немного искажаться. Мы предложили схему, в которой число операций фиксировано и не зависит от размера системы.
В рамках концепции предложено пять различных архитектур, отличающихся способом перемещения атомов-передатчиков. Так, в конвейерных схемах атом двигается прямо в своей оптической ловушке. В схемах со свободным полетом он запускается как снаряд и взаимодействует с другими кубитами на лету. Гибридные решения используют квантовую телепортацию для минимизации числа операций. А наиболее перспективной для практической реализации российскими учеными была признана двунаправленная конвейерная схема, когда два атома в оптических ловушках двигаются навстречу друг другу. Необходимые для нее компоненты уже созданы и проверены в других экспериментах. Результаты этого исследования были опубликованы в ведущем международном научном журнале Physical Review A.
Эксклюзивно для Наука Mail директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС Алексей Федоров прокомментировал разработку. Он подчеркнул, что пока это теоретическая работа, то есть предложенное улучшение не проверено в реальных вычислениях.
Отвечая на вопрос о различии с ионными технологиями и 2D-ловушками, которые мы ранее обсуждали с сооснователем Российского квантового центра Русланом Юнусовым, Федоров пояснил:
«Это разные технологии. Там речь идет о квантовых вычислениях на основе ионов, в которых основное преимущество — это сильное взаимодействие, которое обеспечивает высокую точность операции, но ограничивает масштабируемость. 2D-ловушки — это способ улучшать масштабируемость ионной платформы. Нейтральные атомы таким недостатком не обладают и могут очень хорошо масштабироваться. Сегодня в мире уже существует система квантовых вычислений из тысяч нейтральных атомов».
Поясним, что нейтральные атомы и ионы отличаются своими физическими характеристиками, а потому и квантовые вычислители на их основе отличаются по своим достоинствам и недостаткам. По словам Федорова, главная проблема платформ на нейтральных атомах — это эффективное перемещение для осуществления вычислений.
Мы предложили ряд архитектур и протоколов, которые позволяют более эффективно перемещать атомы для совершения операции, что значительно улучшает и повышает эффективность квантовых вычислений на нейтральных атомах.
Таким образом ожидается, что будущая реализация новой архитектуры на практике откроет дорогу к созданию первых масштабируемых квантовых компьютеров на базе нейтральных атомов.
Ранее Наука Mail писала о том, как российские ученые из МИСИС показали первый в стране сверхпроводниковый квантовый компьютер на флаксониумах, о создании рекордного квантового компьютера на 6100 кубитах и о том, как квантовые системы пока не способны взламывать банковские счета.
