Российско-американские физики создали рекордно сложный 51-кубитный квантовый компьютер

Российско-американская группа физиков под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарвардского университета, создала программируемый 51-кубитный квантовый компьютер. Это самая сложная подобная система из существующих. Авторы проверили работоспособность компьютера моделированием сложной системы из множества частиц — это позволило физикам предсказать некоторые ранее неизвестные эффекты. Работа принята к публикации в одном из престижных научных журналов, доклад, посвященный разработке, был сделан на конференции ICQT, которая проходит в эти дни в Москве.

Квантовые компьютеры оперируют особым типом битов — кубитами. В отличие от классических битов, эти логические элементы могут находиться одновременно в состоянии «ноль» и «единица», выдавая при измерении одно из них с известной вероятностью. Это позволяет разрабатывать принципиально новые алгоритмы вычислений, которые в некоторых случаях оказываются гораздо продуктивнее классических. К примеру, алгоритм Шора оказался экспоненциально быстрее классических алгоритмов разложения чисел на простые множители, а алгоритм Гровера позволяет быстрее находить корни булевых уравнений. Подробнее о квантовых компьютерах можно прочесть в материале «Квантовой азбуки». 

Существует несколько платформ, на базе которых разрабатываются квантовые компьютеры. Основные — это сверхпроводящие квантовые кубиты и холодные атомы в оптических ловушках. Самой сложной программируемой универсальной системой до сегодняшнего дня был компьютер на 17 сверхпроводящих кубитах, разработанный IBM. Авторы новой работы улучшили результат в три раза, создав компьютер на холодных атомах, удерживаемых оптическими пинцетами. Как отмечает пресс-релиз, это полностью программируемый 51-кубитный квантовый компьютер. 

Работоспособность системы ученые проверили парой экспериментов: вычислением поведения сложной системы, состоящей из большого числа связанных частиц с помощью квантового и классического компьютера. Авторы отмечают, что такие задачи чрезвычайно сложны и практически нерешаемы для традиционных систем. Результаты моделирования не только совпали, но и позволили предсказать неизвестный ранее эффект. Оказывается, при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний. 

В ближайшее время исследователи планируют реализовать на квантовом компьютере классический алгоритм Шора для разложения чисел на простые множители. 

Интересно отметить, что многие коллективы называют 50 кубитов достаточной системой для демонстрации квантового превосходства — квантового компьютера, решающего заведомо более сложные задачи, чем те, которые доступны классическим вычислителям. О планах достигнуть этой отметки к концу 2017 года заявляла группа ученых из Google под руководством Джона Мартиниса. 

В неуниверсальных квантовых вычислителях можно встретить и большее количество кубитов. К примеру, системы для квантового отжига компании D-wave состоят из тысячи и более сверхпроводящих кубитов. Однако на них нельзя реализовать классические алгоритмы — например, алгоритм Шора. Они подходят лишь для определенного класса задач оптимизации. Тем не менее, на них уже было показано, что квантовые системы могут превзойти современные компьютеры.

Владимир Королёв