Ученые соединили квантовые процессоры, сделав шаг к масштабируемым суперкомпьютерам
Ученые из Оксфорда совершили большой шаг на пути к крупномасштабным квантовым вычислениям, успешно объединив отдельные квантовые процессоры в полностью связанную систему. Этот прорыв преодолевает серьезную проблему — масштабируемость — позволяя малым квантовым устройствам работать вместе, а не пытаться втиснуть миллионы кубитов в одну машину.
Используя фотонные связи, они добились квантовой телепортации логических вентилей между модулями, по сути «соединив» их вместе. Этот распределенный подход отражает принцип работы суперкомпьютеров, предлагая гибкую и обновляемую систему.
Первый распределенный квантовый компьютер
В качестве важного шага к тому, чтобы сделать квантовые вычисления практичными в больших масштабах, ученые из Oxford University Physics впервые успешно продемонстрировали распределенные квантовые вычисления.
Соединив два отдельных квантовых процессора с помощью фотонного сетевого интерфейса, они фактически создали единый, полностью интегрированный квантовый компьютер. Этот прорыв открывает дверь к решению сложных проблем, которые ранее было невозможно решить. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.
Одной из самых больших проблем в квантовых вычислениях является масштабируемость. Чтобы быть по-настоящему революционным, квантовому компьютеру необходимо обрабатывать миллионы кубитов.
Однако для упаковки такого количества кубитов в одну машину потребовалось бы огромное, непрактичное устройство. Вместо этого этот новый подход связывает меньшие квантовые процессоры вместе, позволяя им распределять вычислительную нагрузку по сети. Теоретически нет предела количеству подключенных процессоров, что делает это решение высокомасштабируемым.
Фотонные связи: ключ к расширению
Масштабируемая архитектура основана на модулях, каждый из которых содержит лишь небольшое количество захваченных ионных кубитов (атомных носителей квантовой информации). Они связаны между собой с помощью оптических волокон и используют свет (фотоны), а не электрические сигналы для передачи данных между ними. Эти фотонные связи позволяют запутывать кубиты в отдельных модулях, позволяя выполнять квантовую логику между модулями с помощью квантовой телепортации.
Хотя квантовая телепортация состояний уже была достигнута ранее, это исследование является первой демонстрацией квантовой телепортации логических вентилей (минимальных компонентов алгоритма) через сетевое соединение.
По словам исследователей, это может заложить основу для будущего «квантового интернета», где удаленные процессоры могли бы формировать сверхзащищенную сеть для коммуникации, вычислений и зондирования.
Руководитель исследования Дугал Мэйн из Оксфордского университета физики сказал: «Предыдущие демонстрации квантовой телепортации были сосредоточены на передаче квантовых состояний между физически разделенными системами. В нашем исследовании мы используем квантовую телепортацию для создания взаимодействий между этими удаленными системами. Тщательно настраивая эти взаимодействия, мы можем выполнять логические квантовые вентили — фундаментальные операции квантовых вычислений — между кубитами, размещенными в отдельных квантовых компьютерах. Этот прорыв позволяет нам эффективно «связывать» отдельные квантовые процессоры в единый, полностью подключенный квантовый компьютер».
Объединение квантовых процессоров в суперкомпьютер
Концепция похожа на то, как работают традиционные суперкомпьютеры. Они состоят из меньших компьютеров, соединенных вместе для достижения возможностей, которые превосходят возможности каждого отдельного блока.
Такая стратегия обходит многие инженерные препятствия, связанные с упаковкой все большего количества кубитов в одно устройство, сохраняя при этом тонкие квантовые свойства, необходимые для точных и надежных вычислений.
Дугал Мэйн добавил: «Благодаря соединению модулей с помощью фотонных связей система приобретает ценную гибкость, позволяя модернизировать или заменять модули, не нарушая всю архитектуру».
Исследователи продемонстрировали эффективность метода, выполнив алгоритм поиска Гровера. Этот квантовый метод ищет определенный элемент в большом неструктурированном наборе данных гораздо быстрее, чем это может сделать обычный компьютер, используя квантовые явления суперпозиции и запутанности для параллельного исследования множества возможностей.
Его успешная демонстрация подчеркивает, как распределенный подход может расширить квантовые возможности за пределы одного устройства, подготавливая почву для масштабируемых, высокопроизводительных квантовых компьютеров, достаточно мощных, чтобы выполнять вычисления за часы, на которые сегодняшним суперкомпьютерам потребовались бы многие годы.