Физики придумали эмулятор многокубитового квантового компьютера

Физик Бриан Лакур (Brian La Cour) и инженер-электронщик Гренвиль Отт (Granville Ott) предложили проект создания классического компьютера, способного эмулировать небольшой квантовый компьютер и выполнять доступные последнему вычисления. Соответствующая статья

в

.

Чтобы решить подобную задачу, нужно эмулировать базовый элемент квантового компьютера – логические квантовые вентили. Они преобразуют входящие состояния кубитов на выходные (исходящие) по определенному закону, и в отличие от многих классических логических вентилей всегда являются обратимыми. Сам кубит можно представить вектором в двумерном пространстве, поэтому действие вентиля можно описать унитарной матрицей, на которую умножается соответствующий вектор состояния входящего кубита. Вентиль с числом кубитов n описывается матрицей 2ⁿ × 2ⁿ. Иными словами, сложность такой матрицы по мере роста числа кубитов чрезвычайно быстро увеличивается.

Авторы предлагают эмулировать такой квантовый вентиль посредством квадратурной фазовой модуляции электромагнитных волн, при которой фаза несущего сигнала изменяется в соответствии с передаваемыми сигналами данными. Модулирование фаз волн будет осуществляться в соответствии с унитарной матрицей, то есть математические операции в таком вентиле будут идентичны операциям в квантовом логическом вентиле. При квадратурной модуляции у фазы передающей волны может быть четыре различные значения с шагом 90 градусов:

Для создания такой системы авторы предлагают использовать аналоговые электронные компоненты, интегрированные на одной микросхеме. Чтобы эмулировать произвольно заданное квантовое состояние, они эмулируют унитарные квантовые логические вентили используя компоненты обычной аналоговой электроники для приема и передачи модулированных волн. Три основные кандидата в такие компоненты, предлагаемые авторами – четырехквадрантный аналоговый умножитель, операционный усилитель и аналоговые фильтры. 

Очевидно, что по мере роста числа эмулированных кубитов сложность используемой унитарной матрицы и ширина пропускной способности предлагаемого устройства должна расти экспоненциально. Поэтому авторы ставят вопрос о том, каковы теоретические пределы возможностей классического эмулятора квантового компьютера.

Самая современная полупроводниковая технология (14 нм) позволяет собрать на одной микросхеме порядка миллиарда транзисторов. Согласно расчетам авторов, на базе такого числа (при разумной длительности используемых модулированных сигналов) можно эмулировать примерно 30 кубитов. В силу экспоненциального роста требований, даже серьезное наращивание числа транзисторов на схеме даст лишь умеренное наращивание числа эмулируемых кубитов. По оптимистичным расчетам авторов, закон Мура позволит увеличить их число на микросхеме в 1 000 раз за следующие 20-30 лет. И все равно такое увеличение на три порядка даст нарастить число кубитов лишь на треть, до 40 штук. Конечно, теоретически можно увеличить длительность отдельного сигнала модулированных волн, однако и здесь сложности растут экспоненциально. Увеличив длительность сигнала с 10 минут до 10 часов, можно нарастить количество кубитов лишь с 40 до 50, а задействование сигнала длительностью в 13,77 миллиардов лет доведет их число до 60, однако работа с таким эмулируемым квантовым компьютером станет весьма неудобной.

Как отмечают авторы, для некоторых сложных видов теоретически прорабатываемых квантовых вычислений потребуются тысячи кубитов в одном компьютере, чего их эмулятор определенно не сможет достичь ни при каком техническом уровне полупроводниковой индустрии. Тем не менее, такое устройство все же представляет существенный практический интерес.

Во-первых, как бы оно не уступало пока еще не созданным многокубитным истинным квантовым компьютерам (КК), по сравнению с классическими в целом ряде задач, где сильны КК, даже эмулятор будет намного быстрее, чем современные классические компьютеры. В частности, ученые предполагают, что сопроцессор, эмулирующий всего 10 кубитов, по производительности в целом ряде задач сможет сравниться с современными процессорами линейки Intel Core. На 20-30 кубитах эмулятор должен значительно превзойти последний.

Во-вторых, от современных квантовых компьютеров эмулятор резко отличается своей способностью непрерывно работать при комнатной температуре без нужды в дорогих лабораторных системах, основанных на джозефсоновских кубитах, задействующих сверхпроводимость и нуждающихся в охлаждении жидким гелием. Их при необходимости сможет серийно производить существующая полупроводниковая индустрия, в то время как создание даже единичных истинных универсальных КК с 30 кубитами на сегодня выглядит далекой перспективой даже для лабораторий.