Новая архитектура квантовых вычислений сокращает потребность в кубитах с тысячи до пяти
Ученые Калифорнийского технологического института и стартапа Oratomic совершили прорыв в области квантовых вычислений, разработав метод, который позволяет радикально сократить количество кубитов, необходимых для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров. Это открытие способно значительно ускорить появление практических и доступных квантовых машин.
Исследовательская группа утверждает, что полноценный квантовый компьютер сможет работать с использованием всего лишь от 10 000 до 20 000 кубитов. Это на порядки меньше, чем считалось ранее, когда эксперты полагали, что для этого потребуются миллионы кубитов.
Достижение стало возможным благодаря новой архитектуре квантовой коррекции ошибок, которая сокращает количество избыточных кубитов, необходимых для исправления ошибок. Эта проблема долгое время оставалась одним из главных препятствий на пути создания надежных квантовых систем. Традиционные методы требуют около 1000 физических кубитов для создания одного логического кубита, что делает масштабирование систем крайне сложным.
Исследователи решили эту задачу, используя системы на нейтральных атомах, где роль кубитов играют атомы, удерживаемые и перемещаемые с помощью лазерных лучей — оптических пинцетов. Ключевое преимущество этой платформы заключается в том, что атомы можно перемещать и связывать на больших расстояниях, в отличие от других платформ, где кубиты ограничены взаимодействием только с ближайшими соседями.
«В отличие от других платформ для квантовых вычислений, кубиты на нейтральных атомах могут быть напрямую связаны на больших расстояниях, — пояснил Мануэль Эндрес. — Оптические пинцеты могут переместить один атом к другому концу массива и напрямую запутать его с другим атомом».
Такая гибкость позволяет использовать высокоэффективные коды исправления ошибок, где каждый физический кубит может поддерживать сразу несколько логических кубитов. В результате для создания одного логического кубита может потребоваться всего пять физических кубитов. «На самом деле удивительно, насколько хорошо это работает. Мы называем это ультраэффективной коррекцией ошибок», — отметил Эндрес.
Разработанный подход опирается на стремительный прогресс в области систем на нейтральных атомах, в рамках которых в лабораториях уже продемонстрированы массивы, содержащие более 6000 кубитов. В отличие от традиционных подходов, таких как поверхностные коды, где кубиты взаимодействуют только с ближайшими соседями, что ограничивает эффективность обработки информации, нейтральные атомные массивы обеспечивают связь на больших расстояниях. Это позволяет одному физическому кубиту вносить вклад в работу сразу нескольких логических кубитов, значительно повышая общую эффективность и снижая требования к аппаратному обеспечению.
Последствия этого открытия выходят далеко за рамки физики. Более эффективные квантовые компьютеры смогут взламывать широко используемые методы шифрования, такие как RSA и эллиптическая криптография, гораздо раньше, чем ожидалось. Такие системы смогут выполнять алгоритм Шора, разработанный Питером Шором, который позволяет раскладывать большие числа на множители экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры.
Хотя полученные результаты пока носят теоретический характер, исследователи подчеркивают, что прогресс в системах на нейтральных атомах позволяет предположить, что практические квантовые компьютеры могут появиться раньше прогнозируемых сроков. «Десятилетиями количество кубитов считалось главным препятствием на пути к отказоустойчивым квантовым вычислениям. Я надеюсь, что наша работа поможет изменить эту точку зрения», — отметили авторы исследования.
Джон Пресскилл, один из ветеранов в этой области, добавил: «Я работаю над отказоустойчивыми квантовыми вычислениями дольше, чем некоторые из моих соавторов существуют на свете. Теперь, наконец, мы приближаемся к цели». Подводя итог, Доэлев Блювштайн сформулировал ближайшую задачу: «Теперь пришло время строить машины».
Исследование было в журнале Nature.