Google построил 72-кубитный квантовый компьютер
Компания Google построила квантовый процессор, в котором 72 сверхпроводниковых кубита объединены в двумерный массив. Этот процессор использует ту же технологию, что и предыдущий 9-кубитный квантовый компьютер, построенный компанией и имеющий низкий процент ошибок при вычислениях. Новую разработку компания представила на ежегодной встрече Американского физического сообщества в Лос-Анджелесе, кратко о ней сообщается в блоге компании.
Главное препятствие, мешающее построить квантовый компьютер с большим числом кубитов, — это ошибки, которые неизбежно возникают при вычислениях, считывании и записи информации в кубиты из-за разрушения их квантового состояния. Чем больше кубитов, тем выше вероятность, что кубит станет взаимодействовать со своим «соседом», и тем чаще возникают ошибки. Если говорить более строго, время декогеренции (распада суперпозиции) системы быстро уменьшается при увеличении числа входящих в ее состав компонент.
Тем не менее, ученые уже придумали несколько способов, с помощью которых можно бороться с этой проблемой, и построили квантовые компьютеры, в состав которых входит несколько десятков кубитов. Так, в течение прошлого года сразу несколько групп сообщили о создании квантовых вычислителей, состоящих из 49 (IBM), 51 (группа Михаила Лукина) и 53 (группа Кристофера Монро) кубитов. Более того, с помощью построенных компьютеров ученые открыли новые эффекты, которые нельзя было рассчитать на классических компьютерах. Таким образом, ученые уже практически достигли квантового превосходства.
В то же время, в июне 2016 года группа исследователей из Google под руководством Джона Мартиниса (John Martinis) построила квантовый компьютер, состоящий из девяти сверхпроводниковых кубитов (кубитов на основе джозефсоновского перехода), соединенных в цепочку. Главной особенностью этого компьютера была высокая надежность: при считывании состояний ошибки возникали примерно в одном случае из ста, при работе однокубитного логического вентиля (single-qubit gate) вероятность ошибки составляла примерно 0,1 процента, а для двухкубитного вентиля — менее 0,6 процента. Это позволило ученым предположить, что в будущем систему можно будет легко масштабировать.
Действительно, вчера компания Google сообщила о создании 72-кубитного квантового процессора, построенного по той же схеме, что и его 9-кубитный предшественник. В новом компьютере кубиты соединены не в цепочку, а образуют два квадратных массива 6×6, расположенных друг над другом. Это позволяет отслеживать и исправлять ошибки, возникающие во время вычислений. Пока что компания не раскрывает подробных характеристик построенного устройства, однако утверждает, что оно позволяет достичь квантового превосходства.
Чтобы подтвердить свое заявление, ученые теоретически оценили, при каких условиях построенную систему нельзя будет смоделировать на классическом компьютере. Согласно с их расчетами, для этого в ее состав должно входить не менее 49 кубитов, «глубина» (circuit depth) должна превышать 40 кубитов, а вероятность ошибки в двухкубитном логическом элементе должна быть не выше 0,5 процента. Для построенного компьютера эти требования выполняются.
В ноябре прошлого года сразу две группы ученых по-разному реализовали алгоритм, позволяющий отслеживать и исправлять ошибки, неизбежно возникающие при квантовых вычислениях, еще раньше о разработке процессора с автоматическим исправлением ошибок сообщала IBM. В декабре физики из Австралии и Нидерландов предложили интегральную схему для квантового компьютера, на которой можно легко разместить несколько тысяч кубитов на основе квантовых точек, а в январе экспериментально изготовили такие кубиты.
Дмитрий Трунин
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.