Как устроены новые квантовые компьютеры

IMG_3433Пятьдесят с лишним атомов пробиваются через карман пустого пространства. Невидимые силовые линии — квантовый магнетизм — объединяют их вместе. Потревожьте одного, остальные содрогаются. Каждое действие на любом атоме воздействует на каждый другой атом. Это крошечный мир раскрытия тонкости и сложности. Это и есть квантовый компьютер.

В нашем более широком мире есть пределы, которые делают такие хитрости сложными для прогнозирования. Например, ничто не движется быстрее, чем скорость света. Вот еще один предел: наши неуклюжие классические компьютеры не могут предсказать, что произойдет в этом маленьком мире из 50 взаимодействующих атомов.

Проблема не в том, что наши компьютеры не достаточно большие; если число было 20 атомов, вы могли бы запустить симуляцию на своем ноутбуке. Но где-то на этом пути, когда маленький мир разбухает, чтобы включить 50 атомов, проблема предсказания того, как они будут себя вести слишком сложна для вашего ноутбука или любого нормального компьютера. Даже самый большой традиционный суперкомпьютер, который когда-либо создавал человечество, потерял бы себя навсегда в лабиринте вычислений.
И все же проблема только что решена.
На самом деле, дважды.

Две лаборатории, одна в Гарварде и одна в Университете штата Мэриленд (UMD), создали машины, которые могут имитировать квантовый магнетизм в этом масштабе.

Их результаты, опубликованные в двух журналах 29 ноября в журнале Nature, демонстрируют возможности двух специальных квантовых компьютеров, которые выходят далеко за рамки того, что удалось сделать любому традиционному или квантовому компьютеру.

Инструменты для решения задачи
Обращаясь к машине в своей лаборатории, Михаил Лукин, один из лидеров команды Гарварда, сказал Live Science, что «это в основном квантовый симулятор».

Это означает, что компьютер построен для конкретной задачи: изучить эволюцию квантовых систем. Он не будет нарушать коды шифрования в мировых банках, находить самую высокую гору в горном массиве или выполнять какие-либо другие задачи, для которых подходят общие квантовые компьютеры.

Вместо этого машины Гарварда и UMD действительно хороши в решении конкретной проблемы: если сложная квантовая система начинается в одном состоянии, как она будет двигаться и развиваться?

Это узкий вопрос, но в его решении ученые разрабатывают технологии и делают новые открытия в физике, что позволит использовать еще более сложные компьютеры, которые будут выполнять еще более впечатляющие задачи.

Две разные машины
Квантовые симуляторы Мэриленда и Гарварда похожи во многих отношениях. Они решают одни и те же проблемы. Они используют отдельные атомы как кубиты — фундаментальные единицы квантовых компьютеров. Они связаны с дорогостоящими лазерами и вакуумными камерами. Но они не одно то же.

В Мэриленде кубиты представляют собой ионы — электрически заряженные атомы — серебристо-белого металлического иттербия. Исследователи захватили 53 из них на месте, используя небольшие электроды, которые создавали магнитные поля в вакууме, который был намного более опустошенным, чем космическое пространство. Затем они поразили их лазерами таким образом, чтобы они остыли, пока они были почти неподвижны. Кубиты UMD сохраняли свою информацию глубоко внутри атома как «спиновые состояния» — специальные квантовомеханические особенности мелких частиц.

Запись опубликована в рубрике Безопасность с метками , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.