Квантовые вычисления, основанные на принципах квантовой механики, по-новому определяют границы вычислительной мощности. Квантовая запутанность, позволяющая частицам настолько тесно связываться друг с другом, что состояние одной из них мгновенно влияет на состояние другой — даже если они разделены огромным расстоянием, — является краеугольным камнем квантовых компьютеров.
Недавно группа исследователей из Китайского университета науки и технологий под руководством Сяо-бо Чжу сделала значительный шаг вперед, интегрировав рекордное количество 51 кубита в квантовый компьютер серии Zuchongzhi. Это достижение, хотя и является техническим, имеет глубокие последствия для будущего квантовых вычислений и заслуживает особого внимания. Работа опубликована в журнале .
Ключевое преимущество квантовых вычислений
Квантовая запутанность — одно из свойств, наиболее ярко отличающих квантовые компьютеры от их классических аналогов. В классическом компьютере биты информации находятся в состоянии 0 или 1. Напротив, кубиты — основная единица квантовых вычислений — могут находиться в состоянии суперпозиции, когда они одновременно находятся в состоянии 0 и 1, пока не будет произведено измерение.
Когда несколько кубитов запутываются, они могут представлять огромный объем информации и выполнять множество вычислений одновременно, что и обеспечивает квантовым компьютерам столь впечатляющую потенциальную мощность.
Запутанность также необходима для квантовых алгоритмов, которые представляют собой процедуры, используемые для выполнения вычислений на таком компьютере. Многие квантовые алгоритмы, такие как алгоритм Шора для разложения чисел на множители, зависят от запутанности для выполнения вычислений, которые были бы почти невозможны для классического компьютера.
Крупномасштабная квантовая запутанность
Запутывание нескольких кубитов — сложная и тонкая задача. Каждый дополнительный кубит, который мы хотим запутать, экспоненциально увеличивает сложность системы. Это связано с тем, что каждый кубит может взаимодействовать со всеми остальными, создавая паутину взаимодействий, которая может быстро выйти из-под контроля. Кроме того, кубиты чрезвычайно чувствительны к окружающей среде и могут потерять свое запутанное состояние в результате процесса, называемого декогеренцией. Именно поэтому крупномасштабная запутанность является одной из основных проблем квантовых вычислений.
Китайским ученым удалось подготовить и проверить истинную запутанность 51 сверхпроводящего кубита, установив тем самым новый мировой рекорд. Это означает, что им удалось запутать 51 кубит таким образом, что состояние каждого из них связано с состоянием всех остальных. Это впечатляющее достижение, требующее высочайшей точности и технического контроля.
Решающую роль в этом достижении, как отмечается в пресс-релизе исследователей, сыграл использованный в эксперименте сверхпроводящий квантовый компьютер Zuchongzhi, разработанный в Научно-техническом университете Китая. Он оснащен 66 сверхпроводящими кубитами, которые представляют собой крошечные петли из материала, проводящего электричество без потерь. Эти сверхпроводящие кубиты особенно хорошо подходят для квантовых вычислений благодаря низкой декогеренции, что означает, что они могут сохранять свое квантовое состояние в течение достаточно длительного времени.
Исследователи использовали микроволны для управления состоянием кубитов. Регулируя частоту и фазу микроволн, они смогли перевести кубиты в нужные квантовые состояния. Кроме того, они регулировали взаимодействие между различными кубитами, воздействуя на них импульсами магнитного поля, что позволило управлять запутанностью между кубитами.
Рекордное достижение благодаря применению квантовых логических вентилей
Используя эту систему управления, исследователи смогли применить квантовые логические вентили одновременно ко многим парам кубитов. Квантовые логические вентили — это операции, которые изменяют квантовые состояния кубитов в соответствии с определенными условиями на входе. Они представляют собой квантовый эквивалент логических вентилей, используемых в классических вычислениях, но с дополнительными возможностями, обусловленными квантовой природой кубитов.
Применяя эти логические вентили, исследователям удалось интриговать рекордное число кубитов — 51, расположенных в линию, и 30, расположенных в двумерной плоскости. Это серьезное достижение, демонстрирующее возможности квантовых вычислений для манипулирования и управления большими квантовыми системами. Оно открывает путь к более сложным вычислениям и потенциальным приложениям в таких областях, как криптография, оптимизация и моделирование квантовых систем.