Квантовые вычисления на шаг ближе
Революция в области квантовых вычислений всё ближе, но создание компьютера, исправляющего ошибки, по-прежнему сдерживает её. В сотрудничестве с IBM под руководством Корнелла исследователи 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 может справиться обычный компьютер.
Международный прорыв в квантовых вычислениях
В статье «Realizing String-Net Condensation: Fibonacci Anyon Braiding for Universal Gates and Sampling Chromatic Polynomials», опубликованной в журнале 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) экзотических квазичастиц — айонов струнной сети Фибоначчи (Fib SNC) в двумерном пространстве.
«Это действительно первый шаг к универсальным топологическим квантовым вычислениям или к вычислениям с отказоустойчивостью», — сказала соавтор исследования Ын-Ах Ким, профессор физики в Колледже искусств и наук им. Ганса А. Бете.
«Двумерность очень важна для обеспечения высокой отказоустойчивости и устойчивости к ошибкам. Если вы делаете всё только в одном измерении, такого потенциала для отказоустойчивости нет», — сказал соавтор исследования Чао-Мин Цзянь, доцент кафедры физики (A&S).
Исследователи продемонстрировали возможности своего метода на известной сложной задаче, а не на специально придуманной для эксперимента. В небольших масштабах они могли проверить результаты квантового компьютера, используя классический компьютер в качестве доказательства принципа.
Выбранная ими сложная задача была связана с хроматическими многочленами, которые возникли из задачи подсчёта графов с узлами разного цвета и несколькими простыми правилами. Классические компьютеры могут подсчитать, сколько возможных раскрасок разрешено в простом графе с несколькими узлами и несколькими цветами. Но как только граф увеличивается с множеством узлов и множеством связей, количество возможностей быстро становится экспоненциально большим. Классический компьютер не может вычислить такое количество возможностей.
Протокол, который использовали исследователи — выборка хроматических многочленов для набора различных графов, где количество цветов равно золотому сечению — масштабируем, поэтому другие исследователи с квантовыми компьютерами могут повторить его в большем масштабе.
«Кто-то может следовать нашему протоколу и сделать то, что классически невозможно», — сказала Ким. «Мы поставили это как задачу для всех».
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 опираться на 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, который они предоставили», — сказала она. «Наши коллеги внесли существенный вклад в моделирование аппаратных средств, соединяя теорию с экспериментом и определяя нашу стратегию».
Предоставлено Корнельским университетом.
published in Nature Communications, an international collaboration between researchers at IBM, Cornell, Harvard University and the Weizman Institute of Science demonstrated, for the first time, the ability to encode information by braiding—moving in a particular order—Fibonacci string net condensate (Fib SNC) anyons, which are exotic quasi-particles, in two dimensional space.”,”\”This is really the first step toward universal topological quantum computing, or fault-tolerant computing,\” said co-corresponding author Eun-Ah Kim, Hans A. Bethe Professor of physics in the College of Arts and Sciences.”,”\”The two-dimensionality is very important for being very fault tolerant and resistant to error. If you only do everything in one dimension, there is no such potential for fault tolerance,\” said co-corresponding author Chao-Ming Jian, assistant professor of physics (A&S).”,”The researchers demonstrated the power of their method on a known hard problem, rather than one invented for the experiment. On a small scale, they could verify the quantum computer’s results using a classical computer as a proof of principle.”,”The hard problem they chose involved chromatic polynomials, originated from a counting problem of graphs with different colored nodes and a few simple rules. Classical computers can calculate how many possible colorings are allowed in a simple graph with just a few nodes and a few colors. But as soon as the graph enlarges with many nodes and many connections, the number of possibilities quickly becomes exponentially large. A classical computer cannot compute that many possibilities.”,”The protocol the researchers used—sampling the chromatic polynomials for a set of different graphs where the number of colors is the golden ratio—is scalable, so other researchers with quantum computers can duplicate it at a larger scale.”,”\”Someone can follow our protocol and do something that is classically not possible,\” said Kim. \”We set it out as a challenge to anybody.\””,”Studying topologically ordered many-body quantum systems—systems with a large number of interacting quantum particles—and their applications in quantum computation presents tremendous challenges for quantum researchers. Being able to draw on the resources, expertise and insight of scientists from around the world—in both industry and academia—for their team was essential to achieve their results, said Kim.”,”\”The researchers at IBM were critical in understanding the theory of the topological state and how to design a protocol to implement it on a quantum computer, which they provided,\” she said. \”Our other colleagues made essential contributions with the hardware simulations, connecting theory to experiment and determining our strategy.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tCornell University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник