Прорыв в программе ONISQ обещает более практичные квантовые компьютеры

Управление перспективных исследовательских проектов DARPA заявляет о большом прорыве в области квантовых вычислений. Программа «Оптимизация с помощью квантовых устройств промежуточного масштаба с шумом» (ONISQ) создала первую в мире квантовую схему с логическими квантовыми битами (кубитами).

Основанные на концепциях, которые кажутся волшебством, квантовые вычисления могут произвести революцию в компьютерах, какими мы их знаем. Используя квантовые эффекты и относительно сложную математику, квантовые вычисления могут ускорить обработку информации на несколько порядков по сравнению с классическими вычислениями и раздвинуть границы искусственного интеллекта, биохимии, криптографии и многих других областей.

Все это очень впечатляет, но постоянно возникают различные препятствия, и оказалось, что вывести квантовые вычисления за рамки экспериментальной фазы довольно сложно.

Частично причина в том, что квантовые вычисления имеют очень высокий уровень ошибок, что неудивительно, поскольку принцип основан на том факте, что вместо единиц и нулей в классических вычислениях кубит (квантовый бит) может быть единицей, нулем или тем и другим одновременно.

Хитрость заключается в том, чтобы найти способ превратить эти склонные к ошибкам или «шумные» процессы во что-то более практичное, объединив их с классическими системами.

В случае с DARPA это включало в себя сосредоточение внимания на решении проблем оптимизации, путем разработки логических кубитов, которые представляют собой абстракцию более высокого уровня, действующую как квантовые алгоритмы и основанные на кубитах Ридберга, представляющих собой физические компоненты, которые могут действовать как квантовая система с двумя состояниями.

«Ридберговские кубиты обладают тем полезным свойством, что они однородны по своим свойствам — это означает, что каждый кубит неотличим от другого по своему поведению», — сказал доктор Мукунд Венгалатторе, менеджер программы ONISQ. «Это не относится к другим платформам, таким как сверхпроводящие кубиты, где каждый кубит уникален и, следовательно, не взаимозаменяем.

Однородность ридберговских кубитов позволяет им быстро масштабироваться, а также позволяет легко манипулировать ими и перемещать их с помощью лазеров в квантовой схеме. Это позволяет преодолеть существующие методы выполнения операций с кубитами, подверженные ошибкам, за счет необходимости их последовательного подключения, что приводит к распространению ошибок по всему чипу.

Теперь можно представить динамическую реконфигурацию кубитов на квантовом чипе, где вы больше не ограничены последовательным процессом запуска квантовых схем.

«Теперь вы можете переносить целые коллекции кубитов из одного места схемы в другое место с помощью лазерного пинцета, запускать операцию, а затем возвращать их туда, где они были изначально. Динамически реконфигурируемые и транспортабельные ридберговские логические кубиты открывают совершенно новые концепции и парадигмы для проектирования и создания масштабируемых процессоров квантовых вычислений».

В настоящее время DARPA подключила 48 логических кубитов, но потребуется гораздо больше, чтобы приблизиться к уровню сложности, необходимому для практических квантовых компьютеров. Однако их нужно гораздо меньше — ведь изначально предполагалось, что для создания отказоустойчивого квантового компьютера потребуются миллионы таких кубитов.

«Если бы кто-нибудь предсказал три года назад, когда начиналась программа ONISQ, что нейтральные атомы Ридберга [возбужденный атом с одним или несколькими электронами, которые имеют очень высокое главное квантовое число] могут функционировать как логические кубиты, никто бы в это не поверил», — сказал Гвидо Цуккарелло, технический консультант DARPA.

«Это способ сделать ставку на потенциал этих менее изученных кубитов наряду с более хорошо изученными ионами и сверхпроводящими схемами. Как исследовательская программа, ONISQ предоставила ученым свободу действий для изучения уникальных и новых приложений, выходящих за рамки простой оптимизации. В результате команда, возглавляемая Гарвардом, смогла в гораздо большей степени использовать потенциал этих ридберговских кубитов и превратить их в логические кубиты, что является очень важным открытием».