Современные квантовые компьютеры содержат до нескольких десятков единиц памяти и процессоров, так называемых кубитов. Северин Дайсс (Severin Daiss), Стефан Лангенфельд (Stefan Langenfeld) и его коллеги из Института квантовой оптики имени Макса Планка в Гархинге успешно соединили два таких кубита, расположенных в разных лабораториях, с распределенным квантовым компьютером, связав кубиты 60-метровым оптическим волокном. На таком расстоянии они обнаружили квантово-логические ворота — основной строительный блок квантового компьютера. Это делает систему первым в мире прототипом распределенного квантового компьютера.
Ограничения предыдущих кубитных архитектур
Квантовые компьютеры значительно отличаются от традиционных «двоичных» компьютеров: предполагается, что будущие их реализации позволят легко выполнять специфические вычисления, на которые традиционным компьютерам потребовались бы месяцы или даже годы — например, в области шифрования и дешифрования данных. В то время как производительность двоичных компьютеров является результатом больших объемов памяти и быстрых вычислительных циклов, успех квантового компьютера основывается на том факте, что одна единица памяти — квантовый бит, также называемый «кубитом», — может содержать суперпозиции различных возможных значений одновременно. Поэтому квантовый компьютер вычисляет не только один результат за один раз, но и множество возможных результатов параллельно. Чем больше кубитов взаимосвязано в квантовом компьютере, тем более сложные вычисления он может выполнять.
Основные вычислительные операции квантового компьютера — это квантово-логические вентили между двумя кубитами. Такая операция изменяет — в зависимости от начального состояния кубитов — их квантово-механические состояния. Для того чтобы квантовый компьютер превосходил обычный в различных вычислениях, он должен был бы надежно соединять многие десятки или даже тысячи кубитов для таких же тысяч квантовых операций. Несмотря на большие успехи, все современные лаборатории все еще борются за создание такого большого и надежного квантового компьютера, поскольку каждый дополнительно необходимый кубит значительно затрудняет задачу. Кубиты реализуются, например, с помощью отдельных атомов, сверхпроводящих элементов или легких частиц, которые все должны быть идеально изолированы друг от друга и от окружающей среды. Чем больше кубитов расположены рядом друг с другом, тем труднее одновременно изолировать их и контролировать извне.
Объединенная линия передачи данных и блок обработки
Один из способов преодоления технических трудностей при построении квантовых компьютеров представлен в новом исследовании, опубликованном в журнале Science Северином Дайссом, Стефаном Лангенфельдом и коллегами из исследовательской группы Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe) в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гаршинге. В этой работе, поддерживаемой Институтом фотонных наук (Кастельдефельс, Испания), команде удалось соединить два кубит-модуля на 60-метровом расстоянии таким образом, что они эффективно образуют базовый квантовый компьютер с двумя кубитами. «На этом расстоянии мы выполняем квантовую вычислительную операцию между двумя независимыми кубитными установками в разных лабораториях», — подчеркивает Дайсс. Это дает возможность объединить небольшие квантовые компьютеры в единое вычислительное устройство.
Простое соединение удаленных кубитов для создания запутанности между ними было достигнуто в прошлом, но теперь это соединение может дополнительно использоваться для квантовых вычислений. Для этого исследователи использовали модули, состоящие из одного атома в виде кубита, расположенного между двумя зеркалами. Между этими модулями, они посылают один одиночный квант света, фотон, который транспортирован в стекловолокно. Этот фотон затем запутывается с квантовыми состояниями кубитов в различных модулях. Впоследствии состояние одного из кубитов изменяется в соответствии с измеренным состоянием «анцилового фотона», реализуя квантовомеханическую CNOT-операцию с точностью 80 процентов. Следующим шагом будет подключение более двух модулей и размещение большего количества кубитов в отдельных модулях.
Более высокая производительность квантовых компьютеров за счет распределенных вычислений
Руководитель группы и директор Института Герхард Ремпе считает, что полученный результат поможет еще больше продвинуть технологию: «Наша схема открывает новый путь развития распределенных квантовых вычислений». Это могло бы позволить, например, построить распределенный квантовый компьютер, состоящий из многих модулей с несколькими кубитами, которые связаны между собой с недавно введенным методом. Этот подход мог бы обойти ограничение существующих квантовых компьютеров для интеграции большего количества кубитов в единую установку и послужить созданию более мощных систем.
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210224100829.htm
Ссылка на статью в журнале Science: 10.1126/science.abe3150