Классический компьютер сымитировал работу квантовой машины

Квантовые компьютеры по своей природе отличаются от классических машин, поскольку их работа подразумевает проявление квантовых эффектов, таких как суперпозиция или запутанность. Тем не менее результаты нового исследования физиков из Техасского университета в Остине показали, что классический компьютер способен к эмуляции работы квантовой вычислительной машины.

В своей статье, опубликованной в издании New Journal of Physics, учёные рассказывают об эксперименте и утверждают, что подражание аналоговой системы было практически неотличимо от работы настоящего квантового компьютера.

Ведущий автор нового исследования Брайан Ла Кур (Brian La Cour) сообщает, что работа его команды может иметь важное практическое применение. Если работа аналоговой системы практически неотличима от действий настоящего квантового компьютера, то в некоторых случаях будет иметь смысл использовать именно его в силу определённых преимуществ.

Дело в том, что в отличие от настоящих квантовых компьютеров симулирующие их действия классические машины гораздо меньше подвержены так называемой декогеренции — необратимого процесса нарушения связей в квантовой системе (вследствие её взаимодействий с окружающей средой).

"Полученные нами результаты помогут развивать новые захватывающие технологии как в классическом аналоговом вычислении, так и в самих квантовых вычислениях", — утверждает Ла Кур.

Как рассказывают авторы исследования, попытки сымитировать работу квантового компьютера с помощью программного обеспечения на классическом компьютере предпринимались и ранее. Однако прежние работы были всего лишь численными представлениями операций квантовой компьютера.

Теперь же учёные запустили процесс, который включает в себя физическое представление структуры кубита и отображение его фактического квантового поведения. Одно из ключевых таких квантовых поведений, которому может подражать классическая система, это параллелизм. Это явление позволяет выполнять одновременно несколько операций на имеющихся данных и в квантовых вычислительных машинах является следствием из феноменов суперпозиции и запутанности. Именно это позволяет квантовым компьютерам работать со столь высокой скоростью.

В эксперименте Ла Кур и его коллеги использовали электронные сигналы для эмуляции кубитов: состояние квантового бита представляли амплитуды и частоты сигналов в соответствии со сложными математическими формулами. Физики также объяснили, что хотя они и использовали в своём опыте электронные импульсы, по сути, то же самое могут выполнять и любые другие виды сигнала, например, акустические или электромагнитные волны.

"Важно отметить, что, несмотря на схожесть работы, система, задействованная в эксперименте, по-прежнему является классической, а не квантовой", — поясняет Ла Кур.

Учёные рассказывают, что суперпозиция является свойством волны, которое проявляется во многих классических системах, в том числе и в той, что была испытана в их эксперименте. Что же касается квантовой запутанности, то она представляет собой сугубо математическое свойство волны, и так как электрические сигналы в эксперименте описываются теми же законами математики, что и истинная квантовая система, они могут проявлять те же самые свойства.

"Наблюдаемая в нашем эксперименте запутанность не нарушает неравенства Белла, которое часто используется для проверки этого явления", — добавил Ла Кур.

В своей статье учёные также описывают, как с использованием аналоговых электронных компонентов можно построить эмулятор квантового компьютера. Для этого, по словам исследователей, необходимо уместить как можно большее число компонентов на одной микросхеме для того, чтобы представлять максимально возможное количество кубитов.

Учитывая, что лучшие современные полупроводниковые технологии позволяют уместить более миллиарда транзисторов на интегральной схеме, учёные подсчитали, что эта плотность транзисторов соответствует примерно 30 кубитам. Увеличение плотности транзистора в 1000 раз, которое, в соответствии с законом Мура, может быть достигнуто в ближайшие 20-30 лет, будет соответствовать 40 кубитам.

Этот 40-кубитный лимит также обусловлен ещё одним фундаментальным ограничением, которое возникает из ширины полосы сигнала. Учёные подсчитали, что длительность сигнала в 10 секунд может вместить 40 кубитов, при этом увеличение этого показателя до 10 часов будет соответствовать 50 кубитам, а до года — 60 кубитам. Любопытно, что если длительность сигнала составит 13,77 миллиарда лет (приблизительный возраст Вселенной), то он сможет вместить всего 95 кубитов. Но если сигнал будет длиться период времени планковского масштаба (около 10 в минус 43-ей степени секунд), то он будет соответствовать целым 176 кубитам.

Поскольку для выполнения некоторых важнейших задач на квантовых компьютерах, таких как шифрование, требуются тысяч кубитов, эта схема, несомненно, сталкивается с непреодолимыми ограничениями.

Тем не менее предельных 40 кубитов может хватить на некоторые приложения, к примеру, на квантовое моделирование. А поскольку такая машина имеет неоспоримые преимущества перед настоящими квантовыми компьютерами, однажды они могут быть очень полезны. Осталось только сконструировать рабочую модель.