Новый технологический подход значительно улучшает квантовые компьютеры

Пока квантовые компьютеры все еще находятся на той стадии, на которой был Альберт Эйнштейн вскоре после того, как пошел в школу. Потенциал есть, но нет никакой гарантии, что ребенок однажды станет революционером науки, чьи расчеты откроют новую эру физики. Причина проста — футуристические машины все еще допускают слишком много ошибок. Более того, квантовые чипы, работающие со сверхпроводящими кубитами, приходится охлаждать гелием до температур, близких к абсолютному нулю. Исследовательский коллектив из нескольких известных университетов США представил в журнале Nature квантовый процессор, который может выполнять более эффективные процессы коррекции.

Исследовательская группа под руководством ведущего автора Долева Блувштейна использует возбужденные состояния в атомах рубидия, которые позволяют квантовому компьютеру работать при комнатной температуре.

Кубиты — это вычислительные единицы квантового компьютера и квантовомеханический аналог классических битов. Логический кубит, выполняющий реальные вычислительные операции, состоит из нескольких физических кубитов. Они необходимы для исправления ошибок, возникающих при квантово-механических расчетах. Совсем недавно две американские технологические компании Google и IBM задали темп разработки еще более мощных квантовых процессоров (IBM представила новый чип под названием Condor с 1121 физическим кубитом 4 декабря 2023 года). Однако само количество физически установленных кубитов не имеет решающего значения. Поэтому многие команды концентрируются на изучении новых подходов и увеличении количества логических кубитов, связанных друг с другом.

В то время как Google и IBM используют крошечные сверхпроводящие схемы в качестве кубитов, в которых электрические заряды колеблются то в одном направлении, то в другом, команда под руководством Долева Блувштейна полагается на возбужденные состояния в атомах рубидия. Для этого внешние электроны с помощью лазерного света переводятся на очень высокие энергетические уровни (так называемые состояния Ридберга) далеко от атомного ядра, но они не отщепляются, как ионы, поэтому атомы остаются незаряженными. Чтобы использовать их для квантовых вычислений, исследователям приходится удерживать возбужденные атомы с помощью дополнительных лазеров. Таким образом, их также можно перемещать в любое место в двухмерном пространстве. Соответствующее расположение кубитов позволяет программировать машину. Преимущество данного подхода в том, что такие квантовые компьютеры могут работать при комнатной температуре (в других системах требуется охлаждение до температуры близкой к абсолютному нулю, чтобы квантовые системы могли выполнять свои вычислительные функции). Кроме того, все атомы идентичны и на них не влияют какие-либо производственные неточности.

Внешние рецензенты исследовательской статьи описывают работу команды как «впечатляющую», как «значительный прогресс» и как «доказательство того, что эта технология догнала конкурентов и теперь является «одной из ведущих архитектур для квантового компьютера».

Следующим шагом теперь должно стать обнаружение и исправление ошибок во время расчета, а не после него. Только тогда система действительно приблизится к универсально применимой машине. «Это захватывающее время для нашей области исследований, поскольку подход квантовой коррекции ошибок и отказоустойчивости начинает приносить плоды», — сказал профессор физики Гарвардского университета Михаил Лукин.

Эксперты ожидают, что однажды квантовые машины смогут выполнять задачи, с которыми не справляются классические компьютеры. Они могли бы помочь в исследовании материалов, разработке новых лекарств или решении сложных проблем, например, в банковском и страховом секторах. Однако кубиты весьма чувствительно реагируют на внешние воздействия и часто непреднамеренно меняют свое состояние в ходе расчета. Это означает, что они продолжают давать ложные результаты. Заметить и исправить это, не разрушив хрупкое квантовое состояние, — задача процедур исправления ошибок. Без таких методов квантовые компьютеры не смогут реализовать приписываемый им потенциал.