Google atklāj kvantu pārākuma plānu

Lielais kvantu skaitļošanas solījums ir spēja veikt prātam neaptveramas sarežģītības aprēķinus, kas ievērojami pārsniedz parasto datoru iespējas. Fiziķi jau sen ir zinājuši, ka kvantu dators ar tikai 50 kubitiem var pārspēt pat pasaulē jaudīgākos superdatorus.

Taču parastās skaitļošanas robežu pārvarēšana — kvantu pārākuma sasniegšana, kā to sauc fiziķi — ir izrādījies grūtāk, nekā visi gaidīja. Kvantu stāvokļi ir smalki objekti — šķauda un tie pazūd. Šī iemesla dēļ fiziķi ir iestrēguši ar praktisko izaicinājumu izolēt kvantu datorus un to kvantu apstrādes iekārtas no ārpasaules. Rezultātā kvantu pārākums šķiet tik tālu kā jebkad agrāk.

Bet var būt arī cits veids, kā demonstrēt kvantu pārākumu, kas neprasa vispārējas nozīmes kvantu datoru, kas var darbināt dažādus kvantu algoritmus. Tā vietā fiziķi ir sākuši spēlēties ar kvantu sistēmām, kas spēj paveikt tikai vienu lietu. Ja viņi var parādīt, ka šī viena lieta ir ārpus jebkura parastā datora iespējām, tad viņi pirmo reizi demonstrēs kvantu pārākumu. Bet tas, kā to var izdarīt, nebūt nav skaidrs.

Šodien Čārlzs Neills no Kalifornijas Santabarbaras universitātes un Pedrams Roušans no Google saka, ka zina, kā var panākt kvantu pārākumu, un pirmo reizi ir veiksmīgi demonstrējuši iekārtas principiālu versiju. Darbs rada izredzes, ka pirmā kvantu pārākuma demonstrācija varētu notikt tikai mēnešus.

Vispirms nedaudz fona. Lielā kubitu priekšrocība salīdzinājumā ar parastajiem bitiem ir tā, ka tie var pastāvēt stāvokļu superpozīcijā. Tātad, lai gan parasts bits var būt 1 vai 0, kubits vienlaikus var būt gan 1, gan 0.

Tas nozīmē, ka divi kubiti var attēlot četrus skaitļus vienlaikus, trīs kubiti var attēlot astoņus skaitļus un deviņus kubitus, 512 skaitļus vienlaicīgi. Citiem vārdiem sakot, viņu spējas palielinās eksponenciāli.

Tāpēc nav nepieciešams daudz kubitu, lai pārspētu parastos datorus. Tikai 50 kubiti var attēlot 10 000 000 000 000 000 skaitļus. Klasiskajam datoram būtu nepieciešama petabaita mēroga atmiņa, lai saglabātu šo numuru.

Tātad viens no veidiem, kā sasniegt kvantu pārākumu, ir izveidot sistēmu, kas var atbalstīt 49 kubitus stāvokļu superpozīcijā. Šai sistēmai nav jāveic nekādi sarežģīti aprēķini — tai tikai jāspēj droši izpētīt visu 49 kubitu superpozīcijas telpu. Tātad Nilla un Roushan mērķis ir izveidot 49 kubitu superpozīciju.

Tas ir vieglāk pateikt nekā izdarīt. Taču darbs, par kuru viņi šodien paziņo, ir principa pierādījums.

Viņu pieeja ir vienkārša. Kubiti ir kvantu objekti, kas var pastāvēt divos stāvokļos vienlaikus, un ir daudz veidu, kā tos izveidot. Piemēram, fotoni vienlaikus var būt polarizēti gan vertikāli, gan horizontāli, atomu kodoli var griezties ar savu asi vienlaikus gan uz augšu, gan uz leju, elektroni var pārvietoties pa diviem ceļiem vienlaicīgi. Fiziķi eksperimentē ar visām šīm kvantu skaitļošanas sistēmām.

Tomēr Neils un Roushan ir izvēlējušies citu ceļu. Viņu kvantu sistēma ir supravadošs kubits. Tā būtībā ir metāla cilpa, kas atdzesēta līdz zemai temperatūrai. Iestatiet strāvu, kas plūst caur šo cilpu, un tā plūdīs mūžīgi — kvantu parādība, kas pazīstama kā supravadītspēja.

Bet šī kvantu daba noved pie glīta trika: strāva var plūst vienā un otrā virzienā vienlaikus. Un tas ļauj tam darboties kā kubitam, kas vienlaikus var attēlot gan 0, gan 1.

Supravadošo kubitu lielā priekšrocība ir tā, ka tos ir salīdzinoši viegli kontrolēt un izmērīt. Tos var arī savienot viens ar otru, ja vairākas cilpas atrodas blakus viena otrai mikroshēmā. Šī kaimiņu saistīšana ir grūtāka un prasa vēl vienu triku.

Strāvas plūsma vienā vai otrā virzienā ir tikai zemas enerģijas konfigurācija. Ievadiet vairāk enerģijas, un ir iespējami arī citi stāvokļi. Tieši šie augstākās enerģijas stāvokļi var mijiedarboties viens ar otru, radot lielākas superpozīcijas. Tādā veidā blakus esošajām cilpām var būt viens un tas pats, daudz sarežģītāks stāvoklis.

Principa pierādījuma eksperiments, ko Nīls un Roušans un kolēģi veica, ir izveidot mikroshēmu ar deviņām blakus esošām cilpām un parādīt, ka viņu atbalstītie supravadošie kubiti var vienlaikus attēlot 512 skaitļus.

Tas ne tuvu nav kubitu skaits, kas nepieciešams kvantu pārākumam, taču eksperiments piedāvā iepriecinošus mājienus, ka tas būs iespējams.

Fiziķu lielās bailes ir tādas, ka šajās kvantu sistēmās eksponenciāli palielinās ne tikai skaitļi, bet arī kļūdas. Ja kļūdu skaits palielinās pārāk ātri, tās pārpludina sistēmu, padarot kvantu pārākumu neiespējamu.

Galvenais šī eksperimenta rezultāts ir parādīt, ka kļūdas šajās supravadošās mikroshēmās strauji nemainās. Tā vietā komanda parādīja, ka kļūdas palielinās lēnām tādā veidā, kas ļautu jēgpilni superpozīcijai līdz 60 kubitiem. Šie rezultāti sniedz daudzsološus pierādījumus tam, ka kvantu pārākums var būt sasniedzams, izmantojot esošās tehnoloģijas, saka pētnieki.

Tas ir interesants darbs. Tas skaidri norāda, ka kvantu pārākumam vajadzētu būt iespējamam ar mikroshēmu, kurā ir 50 supravadošas cilpas, nevis tikai deviņas. Šādas mikroshēmas izveidei vajadzētu būt vienkāršai — tiešām, ir grūti iedomāties, ka komanda šobrīd tādu neveido.

Bet ir svarīgs brīdinājums. 50 kubitu mikroshēma būs iespējama tikai tad, ja kļūdas turpinās palielināties tā, kā komanda ir parādījusi. Un tas rada svarīgu jautājumu. Komanda ir parādījusi, kā kļūdas palielinās, palielinoties kubitu skaitam no pieciem līdz deviņiem. Bet vai kļūdas tiks mērogotas tādā pašā veidā, kā kubiti palielināsies no deviņiem līdz 50?

Ja nē, kvantu pārākums joprojām ir tālu. Bet, ja viņi to darīs, šī komanda tuvāko mēnešu laikā cerēs iegūt kvantu pārākumu.

Tas ir jautājums, uz kuru Nīls, Roušans un citi šobrīd smagi strādās, lai atbildētu. Ar nepacietību gaidīsim ziņošanu par viņu rezultātiem.

Atsauce: arxiv.org/abs/1709.06678 : Projekts kvantu pārākuma demonstrēšanai ar supravadošiem kubitiem

paslēpties