Квантовый компьютер с «гитарной» памятью: прорыв, который изменит вычисления
Краткая аннотация: Исследователи из ETH Zurich создали квантовый компьютер, в котором информация хранится не в электромагнитных полях, а в микроскопических механических вибрациях. Архитектура разделена на процессор (сверхпроводящий кубит) и память (механический резонатор), по аналогии с CPU и RAM в обычных компьютерах. Вибрационная память компактнее, хранит больше информации и дольше сохраняет квантовые состояния. Система успешно прошла тесты на квантовое преобразование Фурье и поиск периода, доказав свою пригодность для реальных вычислений.
Квантовый компьютер и гитара — что может быть общего? Оказывается, довольно много. Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) разработали систему, которая хранит квантовую информацию в микроскопических механических вибрациях. По сути, они заставили квантовую память «вибрировать», как гитарную струну, извлекая из этого практическую пользу для вычислений [1].
Исследование под руководством Ивэнь Чу опубликовано в журнале Science [2]. Учёные создали принципиально новую архитектуру квантового компьютера, разделив процессы обработки и хранения данных.
Разделяй и властвуй: урок из обычных компьютеров
Создавая квантовую машину, исследователи вдохновлялись дизайном привычных нам цифровых компьютеров. В обычном ПК центральный процессор (CPU) выполняет вычисления, а оперативная память (RAM) хранит информацию. Эти компоненты работают вместе, но выполняют разные задачи [3].
Команда Чу применила тот же принцип. Роль процессора выполняет сверхпроводящий кубит, а роль памяти — отдельная система. Главное отличие кроется в способе хранения.
«В нашей квантовой оперативной памяти информация хранится не в электромагнитном поле, как это обычно бывает сегодня, а в виде механических вибраций», — объяснила Ивэнь Чу.
Почему вибрации лучше электромагнитной памяти
Квантовые состояния очень хрупки. Любое вмешательство извне может их разрушить. Поэтому процессор и память должны взаимодействовать с высокой точностью.
Современные квантовые компьютеры часто используют электромагнитную память. Она хорошо изучена, но занимает слишком много места. Из-за этого масштабировать квантовые чипы и делать их мощнее очень сложно.
Механические резонаторы (устройства, создающие вибрации) решают эту проблему. Они намного компактнее, что позволяет создавать более плотные конструкции. Кроме того, они могут поддерживать разные паттерны вибраций. Это значит, что в них можно одновременно хранить больше информации. И, наконец, вибрации дольше сохраняют квантовые состояния до того, как информация начнёт рассеиваться [1].
Система прошла серьезные испытания
Ученые не просто создали новую память. Они доказали, что она способна выполнять сложные вычисления. Система прошла тесты на квантовое преобразование Фурье и поиск периода. Это фундаментальные алгоритмы, требующие высокой точности и координации множества квантовых состояний.
«Квантовое преобразование Фурье — это фундаментальная вычислительная процедура, необходимая для многих квантовых алгоритмов», — отметил Игорь Кладарич, соавтор исследования [1].
Успешное выполнение этих задач доказывает: новая архитектура может служить основой для настоящих квантовых вычислений, а не просто выступать в роли устройства хранения.
Перспективы
Новый чип показал, что в принципе может выполнять все базовые операции, необходимые для программируемого квантового компьютера. Однако впереди еще много работы. Главная задача — масштабировать технологию, сохранив точность и надежность, продемонстрированные в лаборатории.
До появления мощных квантовых машин, способных решать промышленные задачи, еще далеко. Но команда ETH Zurich показала, что микроскопические вибрации могут стать компактной и эффективной квантовой памятью. А это — многообещающий путь к созданию компьютеров будущего.
Список источников
- Inside this quantum computer, memory vibrates like a guitar string — ScienceDaily
- Mechanical resonator–based quantum computing — Science
- Quantum computer with vibrating memory — ETH Zurich
Часто задаваемые вопросы
В чем главная особенность нового квантового компьютера?
В нем используется новый тип памяти. Вместо привычных электромагнитных полей информация хранится в виде микроскопических механических вибраций внутри квантового чипа. Это похоже на то, как вибрируют струны гитары, только на частотах, недоступных человеческому уху.
Кто разработал эту технологию?
Разработкой руководила физик Ивэнь Чу (Yiwen Chu) и её команда из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Почему это считают прорывом?
Это первая экспериментальная демонстрация того, что механические резонаторы могут работать вместе со сверхпроводящими кубитами для выполнения квантовых вычислений. Раньше такая архитектура существовала только в теории.
Чем вибрационная память лучше электромагнитной?
У неё три главных преимущества. Во-первых, она намного компактнее, что позволяет создавать более плотные чипы. Во-вторых, она может поддерживать разные паттерны вибраций, что позволяет хранить больше информации. В-третьих, она дольше сохраняет квантовые состояния до того, как они начнут разрушаться.
Как это связано с обычными компьютерами?
Архитектура вдохновлена классическими компьютерами. Как в обычном ПК есть процессор (CPU) и оперативная память (RAM), так и здесь есть кубит-процессор и отдельная квантовая память. Это разделение позволяет эффективнее управлять вычислениями.
Какие тесты прошла новая система?
Ученые провели два сложных теста: квантовое преобразование Фурье и поиск периода. Это фундаментальные алгоритмы, требующие высокой точности и координации множества квантовых состояний. Система успешно с ними справилась.
Почему это важно для создания мощных квантовых компьютеров?
Современные квантовые компьютеры сложно масштабировать, потому что электромагнитная память занимает много места. Механические резонаторы решают эту проблему. Они позволяют сделать чипы меньше и мощнее, приближая создание полноценных программируемых квантовых машин.
Можно ли уже купить такой компьютер?
Нет. Это экспериментальный чип, созданный в лаборатории. До появления коммерческих устройств, способных решать практические задачи, еще далеко. Главная задача на будущее — масштабировать технологию, сохранив её точность и надежность.
Что такое квантовые состояния и почему их сложно сохранить?
Квантовые состояния (суперпозиция и запутанность) крайне хрупки. Любое внешнее воздействие или шум могут их разрушить. Поэтому главная проблема квантовых вычислений — удержать информацию достаточно долго для выполнения вычислений. Вибрационная память помогает решить эту задачу.
Где можно прочитать оригинальное исследование?
Оригинальная статья под названием «Mechanical resonator–based quantum computing» опубликована в журнале Science (DOI: 10.1126/science.aef4139). Краткое изложение также доступно на портале ScienceDaily и сайте ETH Zurich.
