Квантовые компьютеры, долгое время остававшиеся мечтой ученых-информатиков, приближаются к реальности. Они способны решать задачи, требующие от традиционных компьютеров тысяч лет вычислений. Для раскрытия полного потенциала квантовых компьютеров необходим безукоризненный контроль над малыми единицами информации — кубитами. Исследователи недавно достигли значительного прогресса: им удалось одновременно управлять четырьмя кубитами с высокой точностью.
Что такое кубит и почему он так важен?
В обычных компьютерах данные хранятся и обрабатываются в виде битов, которые представляют собой либо 0, либо 1. Такой принцип работы называется бинарным. Квантовые компьютеры используют кубиты. Согласно законам квантовой физики, кубит может одновременно быть и 0, и 1 благодаря состоянию суперпозиции. Благодаря этому свойству квантовым компьютерам удаётся выполнять вычисления быстрее классических, особенно при решении сложных задач, например, моделировании молекул или оптимизации.
Управление этими кубитами — задача не из лёгких. Их высокая чувствительность к внешним воздействиям затрудняет манипулирование и поддержание стабильного состояния.
Это стала одной из главных проблем для исследователей в области квантовой информатики: добиться точного управления несколькими кубитами одновременно.
Ученые из Технологического университета Делфта добились успеха, управляя системой из четырех кубитов с помощью квантовых точек — полупроводниковых устройств, содержащих кубиты. Благодаря совершенствованию методов измерения и управления они смогли с высокой точностью манипулировать кубитами, что является важным прорывом в этой области.
Ливен Вандерсипен, руководитель исследования, сообщил, что исследователи сначала пытались наладить взаимодействия между кубитами, в частности обмен спинами (внутренними движениями субатомных частиц) в сети квантовых точек. Для этого использовались импульсы напряжения для контроля взаимодействий между спинами каждого кубита. Такой метод позволил команде не только управлять кубитами по отдельности, но и выполнять операции с несколькими кубитами одновременно, создавая квантовые ворота, которые обмениваются информацией между двумя кубитами сразу.
Почему это открытие так важно?
Предыдущее открытие позволяло управлять только квантовыми системами из двух кубитов. Исследователи Технологического университета Делфта впервые продемонстрировали возможность контроля системы из четырех кубитов с такой точностью, чтобы выполнять надёжные квантовые операции. Это важно, так как увеличение числа кубитов повышает сложность системы.
Каждый кубит системы образует два спина, которые управляют точными импульсами напряжения. Такой контроль над каждым кубитом открывает новые возможности для масштабирования квантовых компьютеров, позволяя выполнять более крупные и быстрые вычисления. Новый метод многообещающий: позволяет не только контролировать изолированные кубиты, но и осуществлять сложные взаимодействия между кубитами в сети.
Будущее воздействия этого открытия
Управление многими кубитами одновременно — не просто технический успех, а целый ряд возможностей в разных сферах. Например, химики и биологи могут использовать квантовые компьютеры для моделирования сложных молекул, что может привести к революции в разработке новых лекарств и материалов. В области искусственного интеллекта появляются более мощные алгоритмы для обработки данных значительно быстрее и эффективнее нынешних.
Это открытие может позволить моделировать сложные физические явления, например магнетизм или физику материалов на атомном уровне. С более точными моделями ученые смогут глубже понять фундаментальные природные процессы и разработать новые технологии, например батареи нового поколения или оптимизированные энергетические сети.
Дорога, полная препятствий
Несмотря на то, что это Важно сделать шаг вперед, но до полноценной и доступной реальности квантовой информатики предстоит еще многое. Требуется повысить точность операций двух кубитов (обменивающих информацию между двумя разными кубитами) и разработать методы управления квантовыми ошибками. Следующим важным этапом будет демонстрация, что эти ворота с двумя кубитами обеспечивают точность выше 99%, что обеспечит более надежные и долговечные вычисления.