Китайские учёные совершили прорыв в квантовых вычислениях с процессором «Чжуан-цзы 2.0»

В кинематографической вселенной фильма «Блуждающая Земля 2» сверхразумный искусственный интеллект «MOSS» с лёгкостью справляется с невероятными сложностями вселенной. Хотя мы пока и не живём в научно-фантастической эпопее, команда исследователей из Института физики Китайской академии наук и Пекинского университета приблизила нас на шаг к такому уровню контроля.

Используя сложный 78-кубитный квантовый процессор под названием «Чжуан-цзы 2.0», команда успешно овладела «ритмом» квантовых систем — достижение, которое долгое время оставалось недосягаемым для самых мощных в мире классических суперкомпьютеров. Их результаты были опубликованы в журнале Nature в среду.

Суть их открытия заключается в явлении, известном как «предтермализация». Чтобы понять это, представьте, что вы нагреваете кусок льда. Лёд не сразу превращается в воду, а задерживается при температуре 0 °C, несмотря на постоянный нагрев, пока энергия разрывает молекулярные связи. Квантовые системы демонстрируют аналогичное «плато». При воздействии внешней энергии кубиты не сразу погружаются в хаос. Вместо этого они входят в краткую стабильную фазу, называемую предтермализацией, где информация сохраняется, а система остаётся упорядоченной.

Открытие «квантового плато» имеет решающее значение для учёных, потому что главный враг квантовых вычислений — это «тепло», процесс, при котором кубиты теряют свою хрупкую информацию и приходят в беспорядок.

Применяя специальную технику под названием «случайное мультиполярное воздействие», исследователи научились регулировать «ритм» и характер энергетических импульсов, подаваемых в чип, чтобы продлить или сократить стабильную фазу. Это похоже на сборку сложного пазла, части которого постоянно рассыпаются, где предтермализация действует как временный щит, а техника обеспечивает управляемое окно для завершения вычислений до погружения в хаос.

Значение этого эксперимента выходит далеко за пределы лаборатории. Хотя 78 кубитов могут показаться малым числом по сравнению с миллионами битов в смартфоне, сложность их взаимодействий настолько велика, что классические компьютеры не могут точно отслеживать их. По мере того как квантовые биты запутываются, математические требования для их моделирования растут экспоненциально, в конечном итоге упираясь в стену, которую даже лучшие кремниевые чипы не могут преодолеть.

Фань Хэн, автор-корреспондент исследования и научный сотрудник Института физики, подчеркнул хорошую производительность чипа «Чжуан-цзы 2.0» во время эксперимента. Будучи квантовой системой, чип естественным образом справляется с этими задачами, позволяя учёным наблюдать сложную динамику в реальном времени.

«Достижение такого значительного прорыва не может зависеть только от наращивания количества битов; это требует систематических исследований на протяжении всего процесса и совместных усилий, объединяющих эксперименты, численное моделирование и теоретический анализ», — сказал он, добавив, что это предполагает использование инновационных схем проектирования, разработку специальных методов и применение подходящих чипов.

Интересный факт: Название процессора «Чжуан-цзы» отсылает к имени древнекитайского философа Чжуан Чжоу (Чжуан-цзы), известного своими парадоксальными рассуждениями о реальности и иллюзиях, что символично для мира квантовой механики, где частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно. Прорыв в управлении квантовыми системами является ключевым шагом на пути к созданию полноценных квантовых компьютеров, способных решать задачи, непосильные для классических компьютеров, например, моделирование сложных молекул для разработки новых лекарств или взлом современных криптографических систем.