Российские и финские физики придумали остроумную методику, которая позволит многократно ускорить работу аналоговых квантовых компьютеров, не понижая при этом точность и качество вычислений.
«Представьте себе, что мы пытаемся взобраться по лестнице, держа в руке стакан воды. Если слишком сильно торопиться, вода начнет расплёскиваться. Нам нужно было найти какой-то трюк, чтобы и идти быстро, и избегать подобных проблем», — рассказывает Сергей Данилин из университета Аалто (Финляндия).
Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.
Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств – классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами.
Ему противостоят так называемые адиабатические квантовые компьютеры, в которых используется не «цифровой», а аналоговый подход к управлению поведением кубитов. По сути, в таком устройстве их взаимодействием «дирижируют» не ученые или приборы, а силы природы.
Дело в том, что многие процессы в физике частиц «запрограммированы» природой так, что они оптимизируют себя, стремясь достичь энергетического минимума. Соответственно, если научиться управлять этими процессами, можно заставить набор атомов или каких-то других объектов провести эти вычисления за нас.
Подобные вычислительные системы гораздо проще создавать, однако у них есть один большой недостаток. Они работают относительно медленно и их крайне сложно приспосабливать для решения нетипичных для них задач и увеличивать их размеры и мощность.
В последние годы физики, как рассказывал профессор Джейкоб Биамонте из «Сколтеха», пытаются решить первую проблему, используя различные квантовые феномены для ускорения физических процессов внутри подобных вычислительных систем, не разрушая при этом их состояние.
Данилин и его коллеги выяснили, как можно ускорить работу аналоговых машин, использующих так называемые трансмоны – сверхпроводящие ячеек памяти, информация в которых хранится в виде уровней энергии искусственного атома. Ее можно считать или записать в подобный кубит, «обстреляв» его пучками микроволн.
Выходец из России и его финские коллеги обнаружили, что этот процесс можно ускорить, не внося искажения в набор данных, если одновременно облучать кубит не одним, а двумя источниками микроволновых фотонов. В таком случае ячейка памяти будет перескакивать не через одну, а через две ступеньки на этой квантовой «лестнице», двигаясь к энергетическому минимуму.
Для этого ученым пришлось особым образом поменять работу систем, поддерживающих состояние кубитов, и управляющие сигналы, при помощи которых адиабатический компьютер манипулирует ячейками памяти. Обстреливая их «тройками» подобных импульсов, физики смогли в разы ускорить работу трансмонов.
Как надеются исследователи, их идеи не только помогут ускорить настройку и работу аналоговых квантовых вычислительных систем, но и позволят физикам всесторонне изучить и проверить третий закон термодинамики и раскрыть пока неизвестные нам законы квантового мира.