Физики расстроили фанатов фотонных компьютеров

Физики из университетов Оксфорда и Бристоля оценили возможность создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, работающих на оптических схемах. Согласно выводам исследователей, чтобы реализовать подобные вычислительные системы, потребуется в 100 тысяч раз больше компонентов, чем, например, для сверхпроводящих квантовых компьютеров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает Physics.

Авторы работы поставили перед собой задачу установить количество компонентов оптического квантового компьютера, а также максимальную вероятность потери фотонов и ошибок в вычислениях. Основной причиной ошибок является вероятностный характер вычислений. Для того, чтобы их избежать, одну и ту же операцию внутри таких компьютеров повторяют несколько раз. В частности, благодаря этому удается минимизировать и количество потерь фотонов на различных узлах квантового компьютера: оптических делителях, детекторах и переключателях.

Ученые выяснили, что для выполнения требования отказоустойчивости оптической системе требуется на пять порядков больше компонент, чем другим типам квантовых компьютеров, например, на основе атомов, захваченных в ловушки, или же на основе сверхпроводящих элементов. Точный расчет предполагает использование ста миллиардов детекторов для системы из 1000 кубитов. При этом, чем «хуже» отдельные компоненты, тем больше их требуется для постройки системы. Критическими значениями являются один потерянный фотон на тысячу на одном элементе или если ошибки из-за шума составляют более чем одну на сто тысяч.

Авторы отмечают, что их работа вовсе не ставит крест на оптических компьютерах. Ученые скорее воспринимают ее как запрос к научному сообществу для разработки более надежных вычислительных протоколов.

Квантовые компьютеры — вычислительные системы, в которых вместо битов, единиц логической памяти, принимающих значения либо «0» либо «1», используются кубиты. Квантовые биты принимают одновременно два значения, каждое из которых — с определенной долей вероятности. Одним из вариантов реализации таких компьютеров являются оптические системы, в которых в качестве ячеек памяти выступают фотоны с различной поляризацией. Например, горизонтальная поляризация может отвечать нулю, а вертикальная — единице. Различные операции с фотонами при этом проводятся с помощью классических оптических устройств — линз, зеркал, делитетлей и так далее.