Специалисты Университета Дьюка (США) смогли решить фундаментальные проблемы, связанные с ошибками квантовых компьютеров.
Ученые показали, что квантовые компьютеры как сумма частей могут быть надежнее, чем части, из которых они состоят. Результаты, опубликованные в статье журнала Nature, помогут создать более устойчивые к ошибкам устройства квантовых вычислений, чем существуют до сих пор.
В эксперименте исследователи объединили несколько кубитов, так чтобы они функционировали как единое целое, то есть образовали логический кубит. Для этого они воспользовались кодом коррекции ошибок, который позволяет избавиться от шума, влияющего на вычисления. В логическом кубите один кубит содержит нужную информацию, а остальные позволяют исправлять ошибки, влияющие на точность вычислений.
Созданный учеными логический кубит оказался более надежным, чем наиболее подверженный ошибкам этап, необходимый для его создания. Команде удалось успешно перевести логический кубит в его начальное состояние и измерить его в 99,4 процентах случаев, несмотря на то, что они полагались на шесть квантовых операций, которые, как ожидается, по отдельности будут работать только в 98,9 процентах случаев. Таким образом, в эксперименте несовершенные части работают вместе, чтобы свести к минимуму вероятность серьезных квантовых ошибок.
Результаты были достигнуты с использованием системы ионной ловушки, которая использует до 32 отдельных ионов, которые охлаждаются лазером и подвешиваются над электродами на чипе. Каждый ион служит кубитом, над которым проводятся манипуляции с помощью лазеров. Успешно создав отказоустойчивый логический кубит, исследователи показали, что осторожный подход может освободить квантовые вычисления от неизбежных ошибок.
До изобретения квантовых компьютеров ученые полагались на суперкомпьютеры — устройства, отличающиеся от обычных ПК габаритами и наличием сотен, если не тысяч ядер центрального процессора. Однако для работы с определенными массивами данных обычные компьютеры даже с тысячами ядер не очень подходят. Компания IBM, которая создала около 20 квантовых компьютеров, объясняет недостатки классических машин особенностью строения.
В качестве примера приводится задача, когда нужно разместить несколько привередливых гостей за столами, и при этом есть только один оптимальный план рассадки. В случае, когда гостей пять, таких комбинаций 120. Если количество гостей увеличить до 10, то будет более трех миллионов комбинаций. Обычный компьютер начал бы решать задачу постепенно, обрабатывая каждую комбинацию, — на ответ ушло бы очень много времени. Квантовый компьютер создаст огромное многомерное пространство, в котором сможет вместить все варианты ответа и найти верный.
В Google, где также работают над квантовым компьютером, считают, что вычисления, на которые современные ПК потратят 10 тысяч лет, машина закончит за три с половиной минуты. Например, существует определенный список из одного триллиона значений, и нужно найти лишь один подходящий элемент. При условии, что на проверку каждого элемента дается миллисекунда, обычный ПК справится за неделю, квантовый — менее чем за одну секунду.
Классические устройства — даже если обеспечить их тысячами процессоров с десятком тысяч ядер — оперируют битами, то есть воспринимают информацию в двоичной системе. В этом случае данные принимают значения только в виде единицы или нуля. Квантовые машины производят вычисления с помощью кубитов, где информация может иметь значение одновременно и в виде единицы, и в виде нуля. Это означает, что кубиты, в отличие от битов, могут принимать различные значения одновременно и выполнять вычисления, которые обычный компьютер не способен совершить по своей природе.
В первую очередь эти продвинутые устройства можно использовать для проведения научных экспериментов. Например, можно моделировать поведение атомов и частиц, которое сейчас реально воссоздать лишь на очень сложном уровне, например, в Большом адронном коллайдере. Также квантовые компьютеры могут оперировать с гигантскими массивами данных, состоящими из миллионов элементов. По оценке ученого Лова Гровера, базу с миллионом единиц обычное устройство проанализирует за миллион шагов, квантовый компьютер потратит всего тысячу.
Уже упоминалось, что квантовые компьютеры оперируют кубитами, а значит могут работать с огромным количество данных одновременно. Например, такое устройство могло бы обычным подбором быстро взломать любое шифрование. Если посмотреть на ситуацию с другой стороны, то передовые компьютеры можно будет использовать для предотвращения взлома различных систем. Безусловно, квантовые компьютеры пригодятся при работе с искусственным интеллектом, который часто полагается на комбинаторную обработку очень больших объемов данных для более точного прогнозирования и принятия решений.
Вероятно, на ранних этапах применения квантовых компьютеров машины будут задействованы в финансовой сфере. Она отличается от многих тем, что охватывает огромные данные. Устройства могли бы выполнять сложные финансовые расчеты и моделировать движение рынка.
По словам физика Хуана Хосе Гарсиа Риполя, квантовые компьютеры нужны там, где обычные не смогут оперативно справиться с потоком информации. В классических вычислениях мы знаем, как решать проблему благодаря компьютерному языку, где машина принимает три значения — «и», «или», «не». В квантовых компьютерах значений и вероятностей гораздо больше. «Они работают по-другому. Квантовый компьютер не подходит для выполнения повседневных задач», — отмечает Риполь.
Инженеры отмечают, что при наличии классических задач использовать квантовый компьютер нецелесообразно. Во-первых, такие компьютеры крайне дорогие. В частности, финансирующая данный проект Google не раскрывает стоимость единицы будущего оборудования, но выделяет «миллиарды долларов» на его создание. Во-вторых, для работы с такими сложными устройствами нужны не только высококвалифицированные специалисты, но и особые условия. Для корректной работы система должна быть полностью изолирована: в ядрах практически отсутствует атмосферное давление и влияние магнитного поля Земли, температура — 273 градуса по Цельсию.
В подобных девайсах также нельзя хранить большие объемы информации — они рассчитаны на вычисления. «Квантовые свойства компьютера разрушаются. Они работают в течение очень коротких периодов времени», — считает Риполь.