Учёные из Гарварда представили систему, состоящую из более чем 3000 квантовых битов (кубитов), которая может работать более двух часов без остановки. Это значительный шаг на пути к созданию суперкомпьютеров, способных революционизировать науку, медицину, финансы и другие области.
Потенциал квантовых вычислений
Представьте себе: машина с 300 квантовыми битами может одновременно хранить больше информации, чем количество частиц в известной Вселенной. Теперь представьте систему, которая в 10 раз больше — и вот учёные из Гарварда создали первую квантовую машину, способную работать непрерывно, без необходимости перезапуска.
Исследование в журнале Nature
В статье, опубликованной в журнале Nature, команда продемонстрировала систему, состоящую из более чем 3000 кубитов, которая может работать более двух часов. Это стало возможным благодаря преодолению ряда технических проблем.
Михаил Лукин, профессор университета имени Джошуа и Бет Фридман и содиректор Инициативы в области квантовой науки и инженерии, а также старший автор статьи, сказал: «Мы продемонстрировали непрерывную работу с системой на 3000 кубитов. Но также ясно, что этот подход будет работать и с гораздо большими числами».
Сотрудничество и исследования
Сотрудничество возглавляли Лукин, Маркус Грейнер, профессор физики имени Джорджа Вамсера Леверетта, и Владан Вулетич, профессор физики в Массачусетском технологическом институте (MIT). Команда проводит исследования в сотрудничестве со стартапом QuEra Computing, созданным на базе лабораторий Гарварда и MIT.
Квантовые и классические компьютеры
Обычные компьютеры кодируют информацию в битах с помощью двоичного кода. Квантовые компьютеры используют субатомные частицы в отдельных атомах и используют противоречивые свойства квантовой физики для достижения гораздо большей вычислительной мощности.
В обычных компьютерах удвоение количества битов удваивает вычислительную мощность; в квантовых компьютерах добавление кубитов экспоненциально увеличивает мощность из-за процесса, называемого квантовой запутанностью.
Преодоление технических проблем
Однако создание крупных квантовых систем сопряжено с серьёзными трудностями. Системы нейтральных атомов (тех, у которых нет электрического заряда, потому что у них равное количество протонов и электронов) стали одной из наиболее перспективных платформ для квантовых компьютеров.
Но одной из серьёзных проблем была «потеря атомов» — кубиты ускользали и теряли закодированную информацию. Этот недостаток ограничивал эксперименты однократными попытками, когда исследователи должны были делать паузу, перезаряжать атомы и начинать снова.
В новом исследовании команда разработала систему для непрерывной и быстрой подачи кубитов с помощью «оптических конвейерных лент» (лазерных волн, транспортирующих атомы) и «оптических пинцетов» (лазерных лучей, захватывающих отдельные атомы и размещающих их в виде сетки). Система может перезаряжать до 300 000 атомов в секунду.
Элиас Трапп, соавтор статьи и доктор философии в Школе искусств и наук имени Кеннета С. Гриффина, изучающий физику, сказал: «Мы показываем способ, позволяющий вставлять новые атомы по мере их естественного исчезновения, не разрушая при этом информацию, которая уже есть в системе».
Новые горизонты
Новая система работала с массивом из более чем 3000 кубитов более двух часов — и теоретически, по словам исследователей, могла бы работать бесконечно. За два часа через систему прошло более 50 миллионов атомов.
Лукин добавил: «Этот новый вид непрерывной работы системы, включающий возможность быстро заменять потерянные кубиты, может быть более важным на практике, чем конкретное количество кубитов».
В последующих экспериментах команда планирует применить этот подход для выполнения вычислений.
Нэн-Чун Чиу, ведущий автор исследования и доктор философии в Гарварде, изучающий физику, сказал: «Что действительно выделяет нас, так это сочетание трёх вещей — масштаба, сохранения квантовой информации и обеспечения достаточной скорости всего процесса, чтобы он был полезен».
Новое исследование продвигает быстро развивающуюся область исследований. На этой неделе команда из Калифорнийского технологического института опубликовала систему на 6100 кубитах, но она могла работать менее 13 секунд.
В другой статье, также опубликованной в Nature, команда из Гарварда и MIT продемонстрировала архитектуру для реконфигурируемых массивов атомов для моделирования экзотических квантовых магнитов. Подход позволяет изменять подключение процессора в процессе вычислений. В отличие от большинства существующих компьютерных чипов, подключение в которых фиксировано, новая система может переконфигурироваться во время работы.
В третьей статье, опубликованной в Nature, команда демонстрирует квантовую архитектуру с новыми методами исправления ошибок. Лукин считает, что теперь можно представить себе квантовые компьютеры, которые смогут выполнять миллиарды операций и работать в течение нескольких дней.
«Осуществить эту мечту теперь можно впервые», — сказал он. «Можно действительно увидеть очень прямой путь к её реализации».