Подпишитесь на нас в Google
Несмотря на колоссальный потенциал, квантовые компьютеры все еще плохо справляются с моделированием взаимодействия двух основных типов частиц, из которых состоит Вселенная. Это можно сравнить с поваром, который умеет работать с сахаром и молоком по отдельности, но не способен рассчитать, как из них приготовить сложный торт.
Однако исследователи нашли способ преодолеть эту проблему, сообщает ScienceAlert. Они разработали теоретическую модель гибридного квантового компьютера, который объединяет "лучшее из обоих миров" и позволяет эффективно описывать взаимодействие разных частиц.
Квантовые компьютеры используют кубиты – элементы, способные хранить и обрабатывать квантовую информацию. Такие машины особенно перспективны для моделирования микромира, но из-за высокой чувствительности кубитов им пока сложно точно описывать поведение множества связанных частиц. Это существенно ограничивает их применение в практической химии и при разработке новых материалов.
Дело в том, что частицы делятся на две большие группы – фермионы и бозоны. К первым относятся, например, электроны и протоны, а ко вторым – фотоны (частицы света). Квантовые компьютеры хорошо справляются с моделированием фермионов, однако для точного описания бозонов им требуется гораздо больше кубитов. А чем масштабнее становится квантовая система, тем сложнее контролировать возникающие в ней ошибки.
Как ученые предлагают улучшить квантовые компьютеры
Исследователи под руководством Элеонор Крейн из Королевского колледжа Лондона предложили объединить кубиты с микроволновыми резонаторами. Это небольшие устройства, внутри которых возникают колеблющиеся электромагнитные поля. Их можно использовать, например, для хранения квантовой информации и точного моделирования поведения бозонов.
Такой гибридный подход объединяет преимущества обеих технологий. Вместо того чтобы имитировать сложные процессы исключительно с помощью огромного массива кубитов, компьютер сможет распределять нагрузку между ними и резонаторами. По расчетам авторов, для подобных симуляций это позволит сократить объем необходимых вычислений примерно в тысячу раз и приблизит решение научных задач, с которыми обычным суперкомпьютерам не справиться.
Чтобы проверить свою идею, ученые смоделировали несколько физических систем, включая работу светоделителя – устройства, которое разделяет или объединяет световые лучи. Они также исследовали упрощенные структуры с двумя пространственными измерениями и одним временным. Хотя такие двухмерные модели не описывают весь окружающий мир, они помогают изучать процессы, критически важные для создания реальных материалов.
Меньше ошибок и реальные перспективы
Новая архитектура откроет путь к исследованию сверхпроводников (материалов, проводящих ток без сопротивления), а также к созданию эффективных солнечных панелей, систем хранения энергии и лекарств. В основе всех этих задач лежат сложные квантовые процессы, которые не под силу точно рассчитать даже мощнейшим классическим компьютерам.
Еще один плюс гибридной системы – снижение числа ошибок. В обычных квантовых компьютерах сбои быстро накапливаются из-за огромного количества операций. Сокращение числа таких манипуляций сделает вычисления надежнее и потребует меньше детекционных ресурсов для защиты данных.
При этом ученым не придется ждать появления гигантских компьютеров с полноценной коррекцией ошибок. Необходимые кубиты и резонаторы уже существуют, а требования новой архитектуры к точности операций близки к возможностям современных устройств. Тем не менее пока разработка остается теоретической – ее эффективность еще предстоит проверить на практике.
Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Physical Review X. Если подход подтвердится на реальном оборудовании, он заметно приблизит внедрение квантовых вычислений в практическую химию, физику и материаловедение.
Ранее в США создали уникальный чип, который может стать основой квантовых компьютеров будущего. Чип размером в 1 квадратный миллиметр генерирует запутанные пары фотонов.
