Физики из МФТИ и РКЦ «утрамбовали» квантовый компьютер
Ученые из России придумали способ использования многоуровневых квантовых систем в качестве набора из нескольких одиночных кубитов, элементарных ячеек квантового компьютера, что приближает нас к созданию подобного вычислительного прибора, сообщают пресс-службы МФТИ и РКЦ. Для этого они предлагают использовать многоуровневые квантовые системы (кудиты). Каждая из них способна работать как несколько «обычных» квантовых элементов, кубитов.
© Пресс-служба МФТИ/QMQM 2016
Многоуровневый кубит, созданный в МФТИ и РКЦ
Профессор Владимир Манько, научный руководитель Лаборатории квантовой информации МФТИ и сотрудник ФИАН, сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров и его коллега Евгений Киктенко опубликовали результаты своих исследований многоуровневых квантовых систем в серии статей в журналах Physical Review A, Physics Letters A, а также Quantum Measurements and Quantum Metrology.
Квантовые компьютеры, которые обещают вызвать революции в компьютерной технике, предполагается строить из элементарных вычислительных элементов, квантовых битов - кубитов. В то время, как элементы классических компьютеров (биты) могут находиться только в двух состояниях (логический ноль, и логическая единица), кубиты создаются на основе квантовых объектов, которые могут находиться в когерентной суперпозиции двух состояний, а значит могут кодировать промежуточные состояния между логическим нулем и единицей. При измерении кубита мы с определенной вероятностью (определяемой законами квантовой механики) получаем либо ноль, либо единицу.
Работа квантового компьютера основана на том, что начальное условие некоторой задачи записывается в начальном состоянии системы кубитов, затем данные кубиты вступают в специальное взаимодействие (определяемое конкретной задачей), и наконец, пользователь считывает ответ к задаче, производя измерение конечных состояний квантовых битов.
Квантовые компьютеры смогут решать некоторые задачи, которые сейчас абсолютно недоступны даже для самых мощных классических суперкомпьютеров. Например, для «взлома» криптографического алгоритма RSA, основанного на поиске разложения на простые множители больших чисел. Обычному компьютеру для перебора вариантов потребуется время, сопоставимое с временем существования Вселенной, а квантовый - может решить её за минуты.
Однако на пути квантовой революции стоит серьезное препятствие - неустойчивость квантовых состояний. Квантовые объекты, используемые для создания кубитов, - ионы, электроны, джозефсоновские контакты, могут сохранять определенное квантовое состояние очень недолго. Но для вычислений нужно, чтобы они не только сохранили состояние, но и еще и провзаимодействовали друг с другом. Физики всего мира пытаются продлить срок жизни кубитов. Раньше сверхпроводящие кубиты «выживали» наносекунды, а теперь их удается удержать от декогеренции уже миллисекунды, что близко времени, необходимому для вычислений.
Но в случае с системой из десятков и сотен кубитов задача становится принципиально сложнее.
Манько, Федоров и Киктенко начали решать задачу «с другого конца» - не пытаться сохранить устойчивость большой системы кубитов, а уменьшить размеры необходимой для вычислений системы. Они исследуют возможности использования для вычислений не кубитов, а кудитов - квантовых объектов, в которых число возможных состояний (уровней) больше двух (их число обозначают буквой D). Существуют кутриты с тремя состояниями, кукварты (четыре состояния)
«Кудит с тремя-четырьмя уровнями уже может работать как система из двух "обычных" кубитов, а восьми уровней достаточно, чтобы имитировать трехкубитную систему. Поначалу мы воспринимали эту эквивалентность как математическую, которая позволяет получать новые энтропийные соотношения. Например, мы получали величину взаимной информации (меры корреляции) между виртуальными кубитами, выделенными в пространстве состояний одиночной четырехуровневой системы», - говорит Федоров.
Он и его коллеги показали, что на единственном кудите с пятью уровнями, созданном с помощью искусственного атома, уже можно осуществлять полноценные квантовые вычисления, например, запустить алгоритм Дойча. Он предназначен для проверки значений большого числа двоичных переменных.
Его можно назвать «алгоритмом поиска бракованной монеты»: представьте себе, что у вас есть множество монет, некоторые из которых бракованные - у них изображение на аверсе и реверсе совпадает. Чтобы найти такие монеты «классическими способом», вам нужно взглянуть на каждую сторону. Алгоритм Дойча предполагает, что вы «запутываете» аверс и реверс монеты, и после этого вы можете увидеть бракованную монету, взглянув на нее только один раз.
Сама идея использования многоуровневых системы для эмуляции многокубитных процессоров была предложена ранее в работах российских физиков Казанского физико-технического института. Так, например, для реализации двухкубитного алгоритма Дойча предлагалось использовать ядерный спин 3/2, имеющий четыре различных состояния. Однако экспериментальный прогресс последних лет в создании кудитов на сверхпроводящих цепях демонстрирует ряд их преимуществ.
В сверхпроводящих схемах, однако, требуется уже пять уровней: последний выполняет вспомогательную роль для осуществления возможности реализации полного набора всех возможных квантовых операций.
«Мы получаем существенный выигрыш, поскольку многоуровневые кудиты в определенных физических реализациях контролировать проще, чем систему из соответствующего количества кубитов, а значит, мы на шаг приближаемся к созданию полноценного квантового компьютера. Многоуровневые элементы обеспечивают преимущества и в других квантовых технологиях, например, в квантовой криптографии», - говорит Федоров.