Квантові комп’ютери можуть отримати новий спосіб розв’язувати складні наукові задачі завдяки поєднанню двох технологій — квантових бітів і мікрохвильових резонаторів. Теоретична модель, запропонована міжнародною командою дослідників, може суттєво скоротити обчислювальні ресурси, необхідні для моделювання хімічних процесів і властивостей матеріалів.
Роботу очолила Елеонор Крейн, дослідниця квантових обчислень із Королівського коледжу Лондона. Результати опублікували в журналі Physical Review X. Науковці вважають, що запропонований підхід потенційно можна реалізувати на обладнанні, яке вже розробляють, не чекаючи появи масштабних квантових комп’ютерів із повноцінною корекцією помилок.
Чому квантовим комп’ютерам складно моделювати частинки
Фундаментальні частинки Всесвіту поділяють на дві великі групи — ферміони та бозони. До ферміонів належать, зокрема, електрони й протони, а до бозонів — фотони, які переносять електромагнітну взаємодію.
Квантові комп’ютери добре пристосовані до моделювання ферміонів, але робота з бозонами створює додаткові труднощі. На відміну від ферміонів, бозони можуть одночасно перебувати в одному квантовому стані. Через це для точного опису їхньої поведінки звичайним квантовим системам може знадобитися велика кількість кубітів.
Зі збільшенням кількості кубітів зростають і вимоги до обладнання, а також ризик накопичення обчислювальних помилок. Це обмежує можливості моделювання складних квантових систем, зокрема тих, що важливі для хімії та фізики матеріалів.
Кубіти та резонатори в одній системі
Запропонований підхід передбачає поєднання кубітів із мікрохвильовими резонаторами — структурами, у яких утримуються коливальні електромагнітні поля. Такі резонатори вже використовують у надпровідних квантових технологіях, але в новій моделі вони також виконують роль засобу зберігання квантової інформації.
Ідея полягає в тому, щоб використовувати сильні сторони обох компонентів: кубіти забезпечують керовані квантові операції, а резонатори допомагають описувати поведінку бозонів без необхідності представляти кожен можливий стан великою кількістю окремих кубітів.
У деяких розглянутих дослідниками задачах така схема може скоротити обчислювальну роботу приблизно в тисячу разів. Це теоретична оцінка для відповідних сценаріїв, а не гарантія такого прискорення для будь-якого квантового обчислення.
Що це дасть на практиці
Щоб перевірити можливості підходу, дослідники змоделювали роботу світлорозділювача — пристрою, який розділяє або об’єднує світлові промені, — а також кілька спрощених квантових систем. Серед них була модель у двох просторових вимірах і одному часовому вимірі, відома як система з розмірністю (2+1).
Такі моделі можуть здаватися далекими від реального Всесвіту, але вони важливі для вивчення фізичних процесів у двовимірних матеріалах. Наприклад, графен має структуру завтовшки в один атомний шар, а взаємодії електронів у надпровідниках можуть допомогти зрозуміти, як виникає електропровідність без опору.
Дослідники також порівняли точність обчислень. За їхніми оцінками, гібридна система з точністю квантових операцій 99,9% може відповідати за певними показниками традиційному квантовому комп’ютеру, якому для порівнянної задачі потрібна точність щонайменше 99,9999%. Така різниця підкреслює потенціал нового підходу, хоча реальні результати залежатимуть від конкретної апаратної реалізації.
Чи близька технологія до практичного використання?
Однією з переваг запропонованої моделі дослідники називають відносно помірні вимоги до обладнання. Кубіти й резонатори вже є частиною сучасних квантових систем, тож для перевірки ідеї не обов’язково чекати на повністю масштабовані машини з розвиненою корекцією помилок.
Якщо подальші експерименти підтвердять переваги гібридної архітектури, вона може допомогти в дослідженні фотосинтезу, розробленні ефективніших сонячних елементів, вивченні надпровідників, створенні нових матеріалів і моделюванні взаємодії ліків із біологічними мішенями.
Однак наразі йдеться про теоретичну основу та перспективний напрям апаратної розробки, а не про готовий універсальний квантовий комп’ютер. Наступний крок — перевірити, наскільки добре запропонований підхід працюватиме на реальних пристроях і чи збереже він переваги зі збільшенням складності задач.
