Квантовые вычисления становятся всё ближе
Необходимость в компьютере, исправляющем ошибки, долгое время тормозила революцию в сфере квантовых вычислений. Однако благодаря сотрудничеству с IBM под руководством Корнелла учёные сделали два важных прорыва.
Во-первых, они продемонстрировали устойчивую к ошибкам реализацию универсальных квантовых вентилей — основных строительных блоков квантовых вычислений. Во-вторых, они показали возможности топологического квантового компьютера в решении сложных задач, с которыми не справляются обычные компьютеры.
Международный прорыв в квантовых исследованиях
В статье «Realizing String-Net Condensation: Fibonacci Anyon Braiding for Universal Gates and Sampling Chromatic Polynomials», опубликованной в Nature Communications, международное сотрудничество между исследователями из IBM, Корнелла, Гарвардского университета и Института науки Вейцмана впервые продемонстрировало возможность кодирования информации путём плетения (перемещения в определённом порядке) айонов конденсата струнных сетей Фибоначчи (Fib SNC) в двумерном пространстве.
Профессор физики в Колледже искусств и наук, соавтор исследования Юн-А Ким сказала: «Это действительно первый шаг к универсальным топологическим квантовым вычислениям или к вычислениям с отказоустойчивостью».
Соавтор исследования Чао-Мин Цзянь, доцент кафедры физики, отметил: «Двумерность очень важна для обеспечения высокой отказоустойчивости и устойчивости к ошибкам. Если вы делаете всё только в одном измерении, такого потенциала для отказоустойчивости нет».
Исследователи продемонстрировали возможности своего метода на известной сложной задаче, а не на специально придуманной для эксперимента. Они могли проверить результаты квантового компьютера, используя классический компьютер, в качестве доказательства принципа.
Задача с хроматическими многочленами
Выбранная ими задача была связана с хроматическими многочленами, которые возникли из задачи подсчёта графиков с узлами разного цвета и несколькими простыми правилами. Классические компьютеры могут подсчитать, сколько возможных вариантов раскраски разрешено в простом графе с несколькими узлами и несколькими цветами. Но как только граф увеличивается и становится больше узлов и связей, количество возможностей быстро становится экспоненциально большим. Классический компьютер не может вычислить столько возможностей.
Протокол, который использовали исследователи — выборка хроматических многочленов для набора различных графиков, где количество цветов равно золотому сечению — масштабируем, поэтому другие исследователи с квантовыми компьютерами могут повторить его в большем масштабе.
Ким сказала: «Кто-то может следовать нашему протоколу и сделать то, что классически невозможно».
Изучение топологически упорядоченных квантовых систем многих тел — систем с большим количеством взаимодействующих квантовых частиц — и их применение в квантовых вычислениях представляет огромные трудности для квантовых исследователей. Возможность использовать ресурсы, опыт и идеи учёных со всего мира — как в промышленности, так и в научных кругах — была важна для достижения их результатов, сказала Ким.
Исследователи из IBM сыграли решающую роль в понимании теории топологического состояния и разработке протокола для его реализации на квантовом компьютере. Другие коллеги внесли существенный вклад в моделирование аппаратных средств, соединив теорию с экспериментом и определив стратегию.
Предоставлено Корнеллским университетом.