Протягом вже трьох десятиліть науковці намаються створити універсальний квантовий комп'ютер — пристрій, здатний розв'язати будь-яку обчислювальну задачу. Команда комп'ютерних науковців і фізиків з Каліфорнії показала його експериментальний прототип, який може вирішувати широкий діапазон завдань, зокрема з фізики і хімії. Цей прототип може стати зразком для більших і потужніших пристроїв.
Один із чіпів, що містить квантові біти — кубіти — новоствореного прототипу квантового комп'ютера
Піонерами квантових комп'ютерів та їх комерціалізації є американська фірма IBM та канадська D-Wave. Однак машинам, які вони виготовляють, поки що не вдається надати потужності (тобто ефективно збільшити кількість квантових бітів — кубітів), потрібної для вирішення завдань, з якими не дають собі ради звичайні комп'ютери.
Тепер, як виглядає, комп'ютерні науковці з дослідницької лабораторії Google у Санта-Барбарі (Каліфорнія) та фізики з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі створили прототип квантового комп'ютера, який у перспективі здатен працювати краще, ніж звичайні комп'ютери. Принцип дії машини описали в онлайн-виданні часопису Nature.
«У багатьох аспектах я б назвав цю роботу вражаючою», — стверджує Денієл Лідар, експерт у галузі квантового комп'ютинґу з Університету Південної Каліфорнії у Лос-Анджелесі.
Головна перевага нового зразка — у поєднанні двох основних підходів до створення квантових комп'ютерів. У першому підході — цифровому — конструювання цифрових мереж відбувається завдяки конфіґураціям кубітів, налаштованих на вирішення конкретного завдання. Тобто цей підхід діє за аналогією до цифрових схем у звичайних мікропроцесорах. Інтеґральною частиною цього підходу є методи корекції помилок, які можуть порушити обчислення. Однак такі методи можуть ефективно працювати лише з невеликою кількістю кубітів.
Інший підхід називається «адіабатичним квантовим комп'ютинґом» (AQC). У ньому ком'ютер закодовує певну проблему в окремі групи кубітів, між якими згодом виникають та розвиваються зв'язки, утворюючи в підсумку колективний квантовий стан, за допомогою якого й досягають розв'язку.
Недоліком цього підходу є ефект випадкових шумів, що ґенерує помилки, які неможливо так систематично виправляти, як це відбувається в цифрових системах. Крім того, немає ґарантії, що цей метод зможе ефективно вирішити будь-яку проблему, каже комп'ютерний науковець, член команди Google Ремі Берендс. Перші комерційні пристрої, однак, вдалося створити саме методом AQC. Їх виготовляє компанія D-Wave у Барнебі (Британська Колумбія) і продає за ціною $ 15 млн. Компанія Google володіє пристроєм D-Wave, але у ній вважають, що є кращий спосіб застосувати AQC.
Зокрема, їх цікавить те, як знайти ефективніший спосіб корекції помилок. Саме це стоїть на заваді збільшення потужності AQC-комп'ютерів, адже у великих системах помилки акумулюються швидше. На думку інженерів Google, це можна виправити, якщо поєднати адіабатичний підхід з цифровим. Для цього вони використали ряд з дев'яти напівпровідникових кубітів з тонкої алюмієвої плівки на сапфірній поверхні. Систему охолодили до температури 0,02 K, що надало алюмінію надпровідних властивостей. Саме у цьому стані в кубіти закодували інформацію.
Взаємодії між сусідніми кубітами контролюються «логічними воротами», які спрямовують їх у квантовий стан, що кодує розв'язок. Як приклад, дослідники проінструктували сукупність кубітів симулювати послідовність атомів з попарними спіновими моментами.
Це порівняно проста проблема, з якою може впоратись і класичний комп'ютер. Але новий пристрій Google може давати собі раду і з так званими «стохастичними» проблемами, що не під силу класичним комп'ютерам. Це, зокрема, симуляція взаємодії між багатьма електронами, яка конче потрібна для точних хімічних розрахунків. До речі, здатність симулювати поведінку молекул на квантовому рівні може стати одним з найцінніших застосувань квантових комп'ютерів.
«З функцією корекції помилок наш підхід має шанси стати загальноцільовим алгоритмом, на основі якого можна створити квантовий комп'ютер довільної величини», — каже член команди Google Аліреза Шабані.
Пристрій від Google ще досі є лише прототипом. Але Денієл Лідар вважає, що вже за кілька років реальністю стануть понад 40-кубітні комп'ютери.
Здатність симулювати стохастичні процеси, зокрема динаміку взаємодії елементарних частинок, очевидно, стане тією точкою відліку, яка засвідчить перевагу квантових комп'ютерів над класичними й ознаменує їх пришестя як технології майбутнього.
Philip Ball
Google moves closer to a universal quantum computer
Nature, 8.06.2015
Зреферував Євген Ланюк