На сегодняшний день многие исследовательские группы создали небольшие, но функциональные квантовые компьютеры. Объединив несколько атомов, электронов или сверхпроводящих переходов, исследователи теперь регулярно демонстрируют квантовые эффекты и запускают простые квантовые алгоритмы — небольшие программы, предназначенные для решения конкретных проблем.Но эти лабораторные устройства часто жестко запрограммированы для запуска одной программы или ограничены фиксированными моделями взаимодействий между квантовыми составляющими.
Создание квантового компьютера, способного запускать произвольные алгоритмы, требует правильной физической системы и набора инструментов программирования. Атомарные ионы, удерживаемые полями близлежащих электродов, являются одними из наиболее многообещающих платформ для удовлетворения этих потребностей.
В статье, опубликованной 4 августа в журнале Nature под заголовком, исследователи, работающие с Кристофером Монро, научным сотрудником Объединенного квантового института и Объединенного центра квантовой информации и компьютерных наук в Университете Мэриленда, представили первый полностью программируемый и реконфигурируемый модуль квантового компьютера. Новое устройство, получившее название модуля из-за его способности соединяться с собственными копиями, использует преимущества уникальных свойств, предлагаемых захваченными ионами, для запуска любого алгоритма на пяти квантовых битах или кубитах — фундаментальной единице информации в квантовом компьютере. .«Чтобы любой компьютер был полезным, от пользователя не требуется знать, что внутри», — говорит Монро. «Мало кто заботится о том, что на самом деле делает их iPhone на физическом уровне. Наш эксперимент выводит высококачественные квантовые биты на более высокий уровень функциональности, позволяя программировать и реконфигурировать их в программном обеспечении».
Новый модуль основан на десятилетиях исследований по улавливанию и контролю ионов. В нем используются стандартные методы, но также вводятся новые методы контроля и измерения. Это включает в себя одновременное манипулирование множеством ионов с помощью массива сильно сфокусированных лазерных лучей, а также специальных каналов обнаружения, которые следят за свечением каждого иона.
«Это те открытия, которые программа NSF Physics Frontiers Centers призвана сделать», — говорит Жан Коттам Аллен, директор программы физического отдела Национального научного фонда. «Эта работа находится на переднем крае квантовых вычислений, и она помогает заложить фундамент и приблизить практические квантовые вычисления к реальности».Команда протестировала свой модуль на небольших примерах трех задач, которые квантовые компьютеры, как известно, решают быстро. По словам Шантану Дебнатха, аспиранта JQI и ведущего автора статьи, наличие гибкости для тестирования модуля на различных задачах — важный шаг вперед. «Соединяя напрямую любую пару кубитов, мы можем перенастроить систему для реализации любого алгоритма», — говорит Дебнат. «Хотя это всего лишь пять кубитов, мы знаем, как применить ту же технику к гораздо большим коллекциям».Однако в основе модуля лежит нечто даже не квантовое: база данных хранит лучшие формы лазерных импульсов, которые управляют квантовыми логическими вентилями, строительными блоками квантовых алгоритмов.
Эти формы рассчитываются заранее с помощью обычного компьютера, а модуль использует программное обеспечение для преобразования алгоритма в импульсы в базе данных.Собираем кусочки вместеКаждый квантовый алгоритм состоит из трех основных компонентов.
Во-первых, кубиты подготавливаются в определенном состоянии; во-вторых, они подвергаются последовательности квантовых логических вентилей; и, наконец, квантовое измерение извлекает результат работы алгоритма.Модуль выполняет эти задачи, используя лазерные лучи разного цвета.
Один цвет подготавливает ионы с помощью метода, называемого оптической накачкой, при котором каждый кубит освещается до тех пор, пока он не окажется в надлежащем квантовом энергетическом состоянии. Тот же лазер помогает считывать квантовое состояние каждого атомного иона в конце процесса.
Между ними отдельный лазер поражает ионы, чтобы управлять квантовыми логическими воротами.Эти ворота похожи на переключатели и транзисторы, питающие обычные компьютеры.
Здесь лазеры подталкивают ионы и связывают информацию о своем внутреннем кубите с их движением, позволяя любым двум ионам в модуле взаимодействовать посредством их сильного электрического отталкивания. Два иона по всей цепочке замечают друг друга через это электрическое взаимодействие, точно так же, как поднятие и выпуск одного шара в колыбели Ньютона передает энергию другой стороне.По словам Дебната, возможность перенастройки лазерных лучей является ключевым преимуществом. «Сокращая алгоритм до серии лазерных импульсов, которые воздействуют на соответствующие ионы, мы можем реконфигурировать проводку между этими кубитами извне», — говорит он. «Это становится проблемой программного обеспечения, и никакая другая архитектура квантовых вычислений не обладает такой гибкостью».
Чтобы протестировать модуль, команда запустила три разных квантовых алгоритма, включая демонстрацию квантового преобразования Фурье (QFT), которое определяет, как часто повторяется заданная математическая функция. Это ключевая часть алгоритма квантового разложения Шора, который нарушит некоторые из наиболее широко используемых стандартов безопасности в Интернете, если будет запущен на достаточно большом квантовом компьютере.Два алгоритма успешно работали более 90% времени, в то время как QFT превысил показатель успешности 70%.
Команда утверждает, что это связано с остаточными ошибками в импульсных вентилях, а также с систематическими ошибками, которые накапливаются в ходе вычислений, ни одна из которых не кажется принципиально непреодолимой. Они отмечают, что алгоритм QFT требует всех возможных двухкубитовых вентилей и должен быть одним из самых сложных квантовых вычислений.Команда считает, что со временем к их модулю квантового компьютера можно будет добавить больше кубитов — возможно, целых 100.
Также возможно соединить отдельные модули вместе, физически перемещая ионы или используя фотоны для переноса информации между ними.Хотя в модуле всего пять кубитов, его гибкость позволяет программировать квантовые алгоритмы, которые раньше никогда не запускались, говорит Дебнат.
Теперь исследователи хотят запустить алгоритмы в модуле с большим количеством кубитов, включая демонстрацию подпрограмм квантовой коррекции ошибок в рамках проекта, финансируемого Intelligence Advanced Research Projects Activity.