Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали прорывной метод связи между квантовыми процессорами (QPU). Это достижение может стать ключом к созданию полномасштабного, отказоустойчивого квантового суперкомпьютера. Новое устройство позволяет устанавливать квантовую запутанность между удаленными чипами, снижая при этом частоту ошибок.
Проблема масштабирования квантовых компьютеров
Современные квантовые компьютеры ограничены в размерах. Создание одного большого квантового процессора с миллионами кубитов — задача чрезвычайно сложная. Это связано с трудностями производства и высокими показателями ошибок. Поэтому ученые ищут способы объединения нескольких меньших, но более качественных QPU в единую систему.
Однако соединение квантовых процессоров на расстоянии — тоже непростая задача. Квантовые состояния очень хрупкие. Они легко разрушаются из-за шума и взаимодействий с окружающей средой. Предыдущие попытки связать удаленные кубиты страдали от низкой точности и медленной скорости.
Решение от MIT: связь через микроволновые фотоны
Команда из MIT представила устройство, которое решает эту проблему. Оно использует сверхпроводящие кубиты (трансмоны) и микроволновые фотоны для создания удаленной запутанности.
Как это работает?
- Кубит в одном процессоре переводится в возбужденное состояние.
- Затем он взаимодействует со специальным элементом связи (“coupler”), который заставляет кубит излучить фотон. Этот фотон несет квантовую информацию кубита.
- Фотон направляется через специальный волновод, охлажденный до сверхнизких температур (около 10 милликельвинов, близко к абсолютному нулю), ко второму процессору.
- Второй процессор с помощью своего элемента связи поглощает фотон, передавая квантовое состояние соответствующему кубиту.
В итоге этого процесса кубиты в двух разных процессорах оказываются квантово запутанными. Это означает, что их состояния взаимосвязаны, независимо от расстояния между ними. Измерение состояния одного кубита мгновенно влияет на состояние другого.
Преимущества нового подхода
- Высокая точность: Исследователям удалось достичь точности (fidelity) установления запутанности в 94%. Это значительно выше, чем в предыдущих экспериментах.
- Высокая скорость: Процесс происходит намного быстрее, чем при использовании других методов.
- Надежность: Использование микроволновых фотонов и сверхпроводящих кабелей снижает потери и влияние шума.
Путь к модульному квантовому суперкомпьютеру
Это достижение открывает путь к созданию модульных квантовых компьютеров. Вместо одного гигантского и сложного процессора можно будет объединять множество небольших, но высокопроизводительных QPU. Такая архитектура похожа на современные классические суперкомпьютеры и центры обработки данных, где множество отдельных серверов работают вместе.
Такой подход позволит создавать мощные и масштабируемые квантовые вычислительные системы. А это, в свою очередь, необходимо для решения задач, недоступных даже самым быстрым классическим суперкомпьютерам. Например, в области разработки лекарств, создания новых материалов и криптографии. Появление такой технологии приближает эру настоящего квантового суперкомпьютера.
Следующие шаги и вызовы
Несмотря на успех, предстоит еще много работы. Ученым необходимо:
- Масштабировать систему для связи большего числа процессоров.
- Продолжать повышать точность передачи квантовых состояний.
- Интегрировать эту технологию с системами квантовой коррекции ошибок.
Однако, разработанный метод удаленной запутанности является важным шагом вперед. Он демонстрирует жизнеспособный путь к созданию распределенных квантовых вычислений и, в конечном счете, к мощным и масштабируемым квантовым компьютерам будущего.