Разработана новая архитектура для масштабируемых квантовых вычислительных систем, допускающая их свободное программирование - «Наука и технологии»

В течение последнего десятилетия были сделаны значительные успехи в области разработки квантовых вычислительных систем, которые способны решать некоторые тяжелые вычислительные задачи намного более быстро и эффективно, нежели классические компьютеры. Ученые-физики уже создали массу различных типов квантовых битов (кубитов) и разработали другие "стандартные блоки" из которых они строят лабораторные вычислительные системы, способные решать относительно простые задачи. С практической точки зрения более широкую распространенность получили квантовые компьютеры, основанные на технологиях так называемых адиабатных квантовых вычислений. Однако и эти технологии продолжают сталкиваться с проблемой, заключающейся в том, что кодирование программы представляет собой кодирование взаимодействий между отдельными кубитами и для решения некоторых задач требуется возможность кодирования квантовых соединений типа "все-ко-всем", а такое кодирование в принципе невозможно из-за ограничений, накладываемых физическим местоположением отдельных кубитов.

"Язык программирования таких систем представляет собой описание каждого соединения и каждого типа взаимодействия между отдельными кубитами. При этом, виды и количество входных данных жестко связаны с типом используемых аппаратных средств" - рассказывает Вольфганг Лехнер (Wolfgang Lechner), ученый из Института квантовой оптики и квантовой информатики (Institute for Quantum Optics and Quantum Information, IQOQI), австрийской Академии Наук, - "Все это служит большим и непреодолимым на сегодняшний день препятствием к созданию свободно программируемых квантовых компьютеров".

А недавно, ученые Вольфганг Лехнер (Wolfgang Lechner), Филипп Хок (Philipp Hauke) и Питер Золлер (Peter Zoller), специализирующиеся в области теоретической физики, предложили всеобщему вниманию разработанный ими новый подход к проблеме квантовых вычислений. Ключевым моментом этого подхода является разделение логической составляющей от физической реализации квантового бита. Каждому физическому кубиту будет соответствовать пара логических кубитов, которые могут управлять некоторыми воздействиями локального масштаба, к примеру, электрическими полями при условии использования в качестве кубитов ионов и атомов или магнитными полями - в случае использования сверхпроводящих кубитов.

"Любая задача, к примеру, задача оптимизации, может быть запрограммирована путем изменения конфигурации полей" - объясняет Филипп Хок, - "При использовании такого подхода мы полностью избавляемся от ограничений, накладываемых особенностями реализации аппаратных средств. Более того, мы сразу получаем возможность масштабирования квантовых систем практически до бесконечности". Главной особенностью предлагаемого учеными решения является размещение кубитов в локальные группы по четыре в каждой. Это позволяет этой группе кубитов прямо взаимодействовать друг с другом на локальном уровне, обретая большее количество степеней свободы нежели количество, которым они обладают поодиночке. А программа, точнее алгоритм решения задачи кодируется именно в избыточных состояниях этих "сложных" кубитов.

"Обладание избыточностью позволяет нашей модели быть более отказо- и помехоустойчивой" - рассказывает Вольфганг Лехнер, - "Кроме этого, такой подход может быть реализован практически при помощи массы различных технологий, начиная от сверхпроводящих чипов и заканчивая облаком сверхохлажденных атомов газа, пойманных в ловушки оптической лазерной решетки. Наш подход основан на технологиях, не очень хорошо подходящих для реализации адиабатных квантовых вычислений, они более приближены к технологиям квантовых вычислений в классическом их понимании".

"Переход от механических калькуляторов к полностью программируемым компьютерам занял около 80 лет" - рассказывает Питер Золлер, - "А сегодня весь этот процесс только начинается по отношению к квантовым компьютерам".

И в заключении следует отметить, что на разработанную учеными новую архитектуру квантовых вычислительных систем уже был получен соответствующий патент. А данные исследования проводились при финансовой поддержке со стороны Австрийского Научного фонда (Austrian Science Fund, FWF) и Европейского научного совета (European Research Council, ERC).