В эксперименте система из 3000 кубитов работала без перезапуска два часа — а теоретически могла бы бесконечно долго.
Невероятный потенциал квантовых вычислений часто иллюстрируют таким примером: машина с 300 кубитами могла бы одновременно хранить больше информации, чем количество частиц в известной нам Вселенной. А теперь представьте себе: физики представили систему на порядок больше, которая к тому же стала первой квантовой машиной, способной работать непрерывно без перезапуска.
«Мы продемонстрировали непрерывную работу системы из 3000 кубитов. Но также очевидно, что этот подход жизнеспособен и для гораздо большего количества кубитов», — поделился профессор Гарвардского университета Михаил Лукин.
В обычных компьютерах удвоение количества битов удваивает вычислительную мощность; в квантовых компьютерах добавление кубитов экспоненциально увеличивает мощность благодаря процессу, называемому квантовой запутанностью.
Но реализация крупных квантовых систем сталкивается с серьезными препятствиями. Одна из самых перспективных платформ для квантовых компьютеров — системы нейтральных атомов. Из-за потери информации их приходится перезагружать, что ограничивает эксперименты одноразовыми попытками.
Ученые из Гарварда совместно с коллегами из Массачусетского технологического института и других учреждений разработали систему для постоянного и быстрого пополнения кубитов с использованием «конвейерных лент оптической решетки» (лазерных волн, транспортирующих атомы) и «оптических пинцетов» (лазерных лучей, которые захватывают отдельные атомы и располагают их в решетчатые массивы). Система может перезагружать до 300 000 атомов в секунду.
«Мы показываем способ, при котором вы можете добавлять новые атомы по мере их естественной потери, не разрушая информацию, которая уже есть в системе. Это действительно помогает преодолеть узкое место — потерю атомов», — пояснил физик Элиас Трапп из Гарварда, соавтор статьи.
Результаты экспериментов опубликованы в Nature. Машина работала с массивом из более чем 3000 кубитов свыше двух часов — и, по словам исследователей, теоретически могла бы продолжать работать бесконечно долго. За два часа через систему прошло более 50 миллионов атомов.
«Этот новый вид непрерывной работы системы, включающий возможность быстрой замены потерянных кубитов, на практике может быть важнее, чем конкретное количество кубитов», — заметил профессор.
В последующих экспериментах команда планирует применить этот подход для выполнения вычислений.
«Нас отличает сочетание трех вещей — масштаб, сохранение квантовой информации и достаточно высокая скорость всего процесса, чтобы он был практически полезным», — подчеркнул ведущий автор исследования Нэн-Чунь Цю.
Квантовые вычисления — передний фланг современной науки, и этот эксперимент — далеко не единственное достижение команды. Чуть ранее исследователи продемонстрировали архитектуру для перестраиваемых атомных массивов с целью моделирования экзотических квантовых магнетиков. Этот подход позволяет изменять связность процессора в процессе вычислений — в отличие от классических процессоров, большинство из которых — имеют фиксированную связность.
«Мы можем буквально перенастраивать атомный квантовый компьютер во время его работы, — сказал Лукин. — По сути, система становится живым организмом».
Кроме того, ученые предложили квантовую архитектуру с новыми методами коррекции ошибок. Все эти исследования делают реальностью квантовые компьютеры, способные выполнять миллиарды операций и работать не меньше нескольких дней, уверен Лукин.
«Впервые в истории эту мечту можно воплотить в реальность. Мы видим действительно прямой путь к ее осуществлению», — заключил он.