Современные квантовые компьютеры сталкиваются с рядом сложностей и проблем, которые затрудняют их развитие и использование. Например современные квантовые системы основаны на искусственно продуцированной квантовой запутанности, которую очень сложно поддерживать и защищать от декогерентности, когда кубиты при взаимодействии с окружающей средой разрушаются из-за коллапса волновой функции. Такие квантовые компьютеры имеют сложное устройство, в которых кубиты объединены в сложную систему квантовых вентилей, которые защищают систему от декогерентности, и позволяют взаимодействовать с кубитами и производить вычисления.
Команда исследователей из Лос-Аламосской национальной лаборатории под руководством физика-теоретика Николая Синицына разработала потенциально революционный теоретический подход к аппаратному обеспечению квантовых вычислений, который может преодолеть эти проблемы и упростить процесс. Этот подход основан на алгоритме естественных квантовых взаимодействий, который позволяет решать реальные проблемы гораздо быстрее, чем классические или обычные квантовые компьютеры на основе вентилей.
«Наше открытие устраняет многие сложные требования к квантовому оборудованию», — сказал Николай Синицын.
«Природные системы, такие как электронные спины дефектов в алмазе, имеют именно тот тип взаимодействия, который необходим для нашего вычислительного процесса».
Команда сотрудничает с физиками-экспериментаторами из Лос-Аламоса, чтобы продемонстрировать свой подход, используя ультрахолодные атомы. По словам Николая Синицына, современные технологии в области ультрахолодных атомов позволяют продемонстрировать их подход к вычислениям с использованием от 40 до 60 кубитов, что вполне достаточно для решения широкого спектра задач, недоступных как для классических компьютеров, так и для квантовых компьютеров на основе вентилей.
Основная идея нового подхода заключается в использовании простого магнитного поля для вращения кубитов, таких как спины электронов, в естественной квантовой системе. Вместо сложной системы логических вентилей, требующей общей квантовой запутанности, новая стратегия полагается на естественную запутанность и простую эволюцию спиновых состояний. Это позволяет уменьшить количество соединений между кубитами и снизить влияние декогеренции, что приводит к большей стабильности кубитов.
Команда из Лос-Аламоса продемонстрировала, что их подход может решать проблему разделения чисел с использованием алгоритма Гровера быстрее, чем существующие квантовые компьютеры. Алгоритм Гровера позволяет выполнять неструктурированный поиск в больших наборах данных и может быть использован, например, для распределения времени выполнения задач между компьютерами.
«Мы заметили, что для многих известных вычислительных задач достаточно иметь квантовую систему с элементарными взаимодействиями, в которой только один квантовый спин — реализуемый двумя кубитами — взаимодействует с остальными вычислительными кубитами», — сказал Синицын. «Тогда единственный магнитный импульс, воздействующий только на центральный спин, реализует наиболее сложную часть квантового алгоритма Гровера»
«В этом процессе не требуется никаких прямых взаимодействий между вычислительными кубитами и зависимых от времени взаимодействий с центральным спином», — сказал он.
Важно отметить, что команда доказала, что такие операции можно делать быстро. Команда также обнаружила, что их подход топологически защищен. То есть он устойчив ко многим ошибкам в точности управляющих полей и других физических параметров даже без квантовой коррекции ошибок.
