Российско-американская группа физиков под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарвардского университета, создала программируемый 51-кубитный квантовый компьютер. Это самая сложная подобная система из существующих. Авторы проверили работоспособность компьютера моделированием сложной системы из множества частиц — это позволило физикам предсказать некоторые ранее неизвестные эффекты. Работа принята к публикации в одном из престижных научных журналов, доклад, посвященный разработке, был сделан на конференции ICQT, которая проходит в эти дни в Москве. Подробный разбор препринта работы можно прочитать в нашем материале.
Квантовые компьютеры оперируют особым типом битов — кубитами. В отличие от классических битов, эти логические элементы могут находиться одновременно в состоянии «ноль» и «единица», выдавая при измерении одно из них с известной вероятностью. Это позволяет разрабатывать принципиально новые алгоритмы вычислений, которые в некоторых случаях оказываются гораздо продуктивнее классических. К примеру, алгоритм Шора оказался экспоненциально быстрее классических алгоритмов разложения чисел на простые множители, а алгоритм Гровера позволяет быстрее находить корни булевых уравнений. Подробнее о квантовых компьютерах можно прочесть в материале «Квантовой азбуки».
Существует несколько платформ, на базе которых разрабатываются квантовые компьютеры. Основные — это сверхпроводящие квантовые кубиты и холодные атомы в оптических ловушках. Самой сложной программируемой универсальной системой до сегодняшнего дня был компьютер на 17 сверхпроводящих кубитах, разработанный IBM. Авторы новой работы улучшили результат в три раза, создав компьютер на холодных атомах, удерживаемых оптическими пинцетами. Как отмечает пресс-релиз, это полностью программируемый 51-кубитный квантовый компьютер.
Работоспособность системы ученые проверили парой экспериментов: вычислением поведения сложной системы, состоящей из большого числа связанных частиц с помощью квантового и классического компьютера. Авторы отмечают, что такие задачи чрезвычайно сложны и практически нерешаемы для традиционных систем. Результаты моделирования не только совпали, но и позволили предсказать неизвестный ранее эффект. Оказывается, при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний.
В будущем исследователи допускают реализацию на квантовом компьютере классического алгоритма Шора для разложения чисел на простые множители.
Интересно отметить, что многие коллективы называют 50 кубитов достаточной системой для демонстрации квантового превосходства — квантового компьютера, решающего заведомо более сложные задачи, чем те, которые доступны классическим вычислителям. О планах достигнуть этой отметки к концу 2017 года заявляла группа ученых из Google под руководством Джона Мартиниса.
В неуниверсальных квантовых вычислителях можно встретить и большее количество кубитов. К примеру, системы для квантового отжига компании D-wave состоят из тысячи и более сверхпроводящих кубитов. Однако на них нельзя реализовать классические алгоритмы — например, алгоритм Шора. Они подходят лишь для определенного класса задач оптимизации. Тем не менее, на них уже было показано, что квантовые системы могут превзойти современные компьютеры.
Владимир Королёв