Числа факторов квантового компьютера могут быть увеличены: новый квантовый компьютер, основанный на пяти атомах, масштабирует числа масштабируемым образом.

Поскольку факторинг больших чисел чертовски сложен, эта «проблема факторинга» является основой многих схем шифрования для защиты кредитных карт, государственных секретов и других конфиденциальных данных. Считается, что один квантовый компьютер может легко решить эту проблему, используя сотни атомов, по существу, параллельно, чтобы быстро разложить на множители огромные числа.

В 1994 году Питер Шор, профессор прикладной математики в Массачусетском технологическом институте, придумал квантовый алгоритм, который вычисляет простые множители большого числа, намного более эффективно, чем классический компьютер. Однако успех алгоритма зависит от компьютера с большим количеством квантовых битов. В то время как другие пытались реализовать алгоритм Шора в различных квантовых системах, ни одна из них не смогла сделать это с помощью более чем нескольких квантовых битов масштабируемым образом.В статье, опубликованной сегодня в журнале Science, исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Инсбрука в Австрии сообщают, что они разработали и построили квантовый компьютер из пяти атомов в ионной ловушке.

Компьютер использует лазерные импульсы для выполнения алгоритма Шора на каждом атоме, чтобы правильно разложить число 15. Система спроектирована таким образом, что можно добавить больше атомов и лазеров, чтобы построить более крупный и быстрый квантовый компьютер, способный значительно разложить множители. большие числа. По их словам, результаты представляют собой первую масштабируемую реализацию алгоритма Шора.«Мы показываем, что алгоритм Шора, самый сложный из известных на сегодняшний день квантовых алгоритмов, реализуем таким образом, что да, все, что вам нужно сделать, это пойти в лабораторию, применить больше технологий, и вы сможете получить более крупный квантовый алгоритм. компьютер », — говорит Исаак Чуанг, профессор физики и профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института. «Это может по-прежнему стоить огромных денег — вы не собираетесь строить квантовый компьютер и в ближайшее время помещать его на свой рабочий стол — но теперь это гораздо больше инженерных усилий, а не фундаментальных вопросов физики».

Видя сквозь квантовый лесВ классических вычислениях числа представлены либо 0, либо 1, и вычисления выполняются в соответствии с «инструкциями» алгоритма, которые манипулируют этими 0 и 1 для преобразования ввода в вывод. Напротив, квантовые вычисления полагаются на единицы атомного масштаба, или «кубиты», которые могут быть одновременно 0 и 1 — состояние, известное как суперпозиция. В этом состоянии один кубит может по существу выполнять два отдельных потока вычислений параллельно, что делает вычисления намного более эффективными, чем классический компьютер.

В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, разработал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.

«Когда у вас было слишком много атомов, это было похоже на большой лес — было очень трудно контролировать один атом с помощью следующего», — говорит Чуанг. «Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована, чтобы оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм».«Легко масштабируемый»

Чуанг и его коллеги разработали новую масштабируемую квантовую систему для эффективного разложения чисел. Хотя для разложения числа 15 обычно требуется около 12 кубитов, они нашли способ сократить систему до пяти кубитов, каждый из которых представлен одним атомом. Каждый атом может находиться одновременно в суперпозиции двух различных энергетических состояний. Исследователи используют лазерные импульсы для выполнения «логических вентилей» или компонентов алгоритма Шора на четырех из пяти атомов.

Затем результаты сохраняются, пересылаются, извлекаются и повторно используются через пятый атом, тем самым выполняя алгоритм Шора параллельно с меньшим количеством кубитов, чем обычно требуется.Команде удалось сохранить стабильность квантовой системы, удерживая атомы в ионной ловушке, где они удаляли электрон из каждого атома, тем самым заряжая его. Затем они удерживали каждый атом на месте с помощью электрического поля.«Таким образом, мы точно знаем, где находится этот атом в космосе», — объясняет Чуанг. "Затем мы делаем это с другим атомом, находящимся в нескольких микронах от нас — [на расстоянии] примерно 100-й ширины человеческого волоса.

Имея вместе несколько этих атомов, они все еще могут взаимодействовать друг с другом, потому что они заряжены Это взаимодействие позволяет нам выполнять логические вентили, которые позволяют нам реализовать примитивы алгоритма факторизации Шора. Эти вентили, которые мы выполняем, могут работать с любым из этих типов атомов, независимо от того, насколько большой мы делаем систему ».Команда Чуанга сначала разработала квантовый дизайн в принципе.

Его коллеги из Университета Инсбрука затем построили экспериментальный прибор, основанный на его методологии. Они приказали квантовой системе разложить на множители число 15 — наименьшее число, которое может значимо продемонстрировать алгоритм Шора. Без каких-либо предварительных знаний ответов система вернула правильные коэффициенты с достоверностью, превышающей 99 процентов.«Мы предвидим, что в будущих поколениях он будет легко масштабируемым, как только устройство сможет улавливать больше атомов и большее количество лазерных лучей сможет управлять импульсами», — говорит Чуанг. «Мы не видим физической причины, по которой это не будет в картах».

Что все это в конечном итоге будет означать для схем шифрования будущего?«Ну, одно дело в том, что если вы национальное государство, вы, вероятно, не захотите публично хранить свои секреты с помощью шифрования, которое зависит от факторинга как труднообратимой проблемы», — говорит Чуанг. «Потому что, когда эти квантовые компьютеры начнут появляться, вы сможете вернуться и расшифровать все эти старые секреты».

Это исследование было частично поддержано проектом Intelligence Advanced Research Project Activity (IARPA) и Гарвардским центром ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института (MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms), Национальным научным фондом (Physics Frontier Center).

Портал обо всем