Квантовый прорыв: рекордный массив из 6100 кубитов открывает путь к компьютерам будущего
Ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech) провели рекордный эксперимент, в ходе им удалось синхронизировать 6100 атомов в квантовом массиве. Это исследование может стать ключом к созданию более мощных и устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров.
В ходе эксперимента исследователи использовали нейтральные атомы в качестве квантовых битов (кубитов). С помощью 12 000 «лазерных пинцетов», созданных из разделенного лазерного луча, они удерживали эти атомы в состоянии «суперпозиции» — фундаментальном квантовом состоянии, позволяющем проводить вычисления.
Как описано в новом исследовании, опубликованном 24 сентября в журнале Nature, ученые не только установили новый рекорд по количеству атомных кубитов в едином массиве, но и значительно увеличили время когерентности — продолжительность пребывания атома в состоянии суперпозиции, доступной для вычислений или проверки на ошибки. Им удалось увеличить этот критически важный параметр с нескольких секунд до 12,6 секунд.
Это достижение представляет собой значительный шаг на пути к созданию крупномасштабных квантовых компьютеров, способных на технологические подвиги, далеко превосходящие возможности даже самых быстрых современных суперкомпьютеров. Более того, данная архитектура на основе нейтральных атомов имеет crucial преимущество: она может работать при комнатной температуре. В отличие от наиболее распространенных сегодня кубитов из сверхпроводящих материалов, которые требуют дорогого и громоздкого оборудования для охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю.
Дорога к квантовому превосходству
Считается, что для создания практичных квантовых компьютеров потребуются системы с миллионами кубитов. Это связано с тем, что каждый функциональный, логический кубит должен поддерживаться несколькими корректирующими ошибки физическими кубитами для обеспечения отказоустойчивости.
Кубиты по своей природе «зашумлены» и легко выходят из состояния когерентности под воздействием внешней среды. Это искажает данные, делая их бесполезными. Поэтому огромный объем исследований направлен на квантовую коррекцию ошибок (ККО).
Хотя нынешние системы от компаний вроде IBM, Google и Microsoft уже продемонстрировали так называемое «квантовое превосходство», обогнав классические компьютеры в решении специфических задач, их практическая польза пока ограничена. Ученые надеются, что по мере увеличения масштабов и улучшения управления ошибками квантовые компьютеры станут по-настоящему полезными.
«Это захватывающий момент для квантовых вычислений на нейтральных атомах, — заявил ведущий автор исследования Мануэль Эндрес. — Теперь мы ви путь к созданию крупномасштабных, устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров. Основные строительные блоки уже есть».
Масштабируемость — ключ к успеху
Пожалуй, даже важнее самого размера массива стали методы, которые делают эту систему масштабируемой. Исследователи усовершенствовали предыдущие наработки, добившись 10-кратного улучшения по ключевым параметрам: когерентности, точности операций и размеру массива. По сравнению с предыдущими попытками им удалось масштабироваться с сотен кубитов до более чем 6000, сохранив при этом точность операций на уровне 99,98%.
Кроме того, команда продемонстрировала новую технику «перевозки» (shuttling) массива — они перемещали атомы на сотни микрометров по массиву, не выводя их из состояния суперпозиции. В дальнейшем эта технология может открыть новые возможности для мгновенной коррекции ошибок.
Следующим шагом команды будет соединение атомов в массиве с помощью другого квантового явления — запутанности (entanglement), что позволит выполнять полноценные квантовые вычисления. Ученые надеются использовать запутанность для разработки еще более эффективных методов коррекции ошибок. Эти усовершенствования могут оказаться решающими для достижения конечной цели — создания практичных, fault-tolerant квантовых компьютеров, которые коренным образом изменят области криптографии, материаловедения, разработки лекарств и искусственного интеллекта.
