Создали первый квантовый компьютер на базе 48 логических кубитов ( 2 фото )

Профессор Гарвардского университета Михаил Лукин и его коллеги разработали первый в мире квантовый компьютер на базе 48 логических квантовых битов (кубитов), способный проводить очень сложные и длительные вычисления за счет встроенной в кубиты системы коррекции ошибок. Результаты первых опытов с этой машиной были раскрыты в статье в научном журнале Nature.

«Проведенные нами опыты показали, что переход на логическое кодирование информации существенно улучшил скорость работы кубитов и позволил превзойти их физические аналоги в точности работы в разных тестах. Это достижение знаменует собой начало эры ранней коррекции ошибок в квантовых вычислительных системах и прокладывает путь к созданию крупномасштабных логических квантовых процессоров», — говорится в исследовании.

Многие физики сейчас предполагают, что дальнейшее развитие квантовых компьютеров потребует создания систем, способных автоматически находить и корректировать случайные ошибки в их работе. Подобные сбои неизбежно возникают в работе кубитов, квантовых ячеек памяти и примитивных вычислительных блоков, в результате их взаимодействия с объектами окружающего мира.

Как отмечают представители Гарвардского университета, этих случайных сбоев в работе квантовых компьютеров можно избежать, если использовать для расчетов так называемые логические кубиты, виртуальные квантовые ячейки памяти, состоящие из нескольких соединенных друг с другом физических кубитов. Они устроены так, что ошибки в их работе автоматически корректируются, что позволяет вести сложные и длительные вычисления при их помощи.

Недавно ученые разработали подход, который позволяет создавать произвольное число логических кубитов, а также любым образом связывать их друг другом, используя 280 физических кубитов в недавно созданном ими полностью реконфигурируемом квантовом компьютере на базе холодных атомов рубидия-87. Используя этот подход и вычислительную систему, физики из США создали набор из 48 логических кубитов и реализовали на его базе несколько сложных алгоритмов.

Наблюдения за работой компьютера при исполнении этих алгоритмов показали, что логические квантовые биты на несколько порядков, примерно в 100 раз, превосходили их физические аналоги в корректности проведения вычислительных операций, причем эта разница быстро росла с увеличением числа кубитов. Как считают ученые, это открывает дорогу для создания еще более сложных логических квантовых процессоров, способных решать максимально сложные задачи.


Квантовый компьютер обладает важным преимуществом перед классическим — ускорением вычислений, подготовленных непосредственного для этого типа вычислительных устройств. Это относится прежде всего к процессам, которые описываются квантовой механикой, то есть взаимодействию квантовых объектов. Например, химические реакции являются квантовыми по своей природе. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности при создании лекарств или новых материалов.

Важную роль в разработке новых лекарств играет изучение пространственной структуры белковых соединений. Так называемый фолдинг белка — когда цепочка аминокислот укладывается в трехмерную структуру и на ее поверхности остаются активные центры (рецепторы), которыми они присоединяются к живой клетке. Активность и свойства лекарственной молекулы определяется именно этими рецепторами. Расчет фолдинга на классическом компьютере осуществить сложно. Однако доказано, что фолдинг появляется в результате квантовых взаимодействий в цепочке аминокислот, поэтому на квантовом компьютере такой расчет может быть эффективен. Это открывает путь к созданию универсальных вакцин и пониманию механизма заболеваний.

Ускоренное решение логистических задач может оптимизировать потоки товаров для получения экономического эффекта. Здесь используются свойства квантовых вычислений для ускорения задач комбинаторного характера. Одним из наиболее известных примеров такой задачи является задача коммивояжера по нахождению оптимального пути агента с посещением заданного числа заказчиков или пунктов при разумных затратах, например, времени. Это так называемая трансвычислительная задача. Было доказано, что при 66 пунктах для посещения точное ее решение методом перебора всех возможных путей займет миллиарды лет даже у самого высокопроизводительного классического компьютера. Предполагается, что совершенный квантовый компьютер сможет решать эту задачу для сотен и тысяч пунктов за вполне разумное время: от нескольких секунд до нескольких часов.

Задача коммивояжера (TSP от англ. travelling salesman problem) — одна из самых известных задач комбинаторной оптимизации. Заключается в поиске самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. В условиях задачи указываются критерий выгодности маршрута (кратчайший, самый дешевый, совокупный критерий и тому подобное) и соответствующие матрицы расстояний, стоимости и тому подобного. Существует несколько частных случаев общей постановки задачи, в частности геометрическая задача коммивояжера (также называемая планарной или евклидовой, когда матрица расстояний отражает расстояния между точками на плоскости), метрическая задача коммивояжера (когда на матрице стоимостей выполняется неравенство треугольника), симметричная и асимметричная задачи коммивояжера.

Традиционные методы вычислений не исчезнут с появлением реально работающих квантовых компьютеров, поскольку те лишь расширят возможности по моделированию и управлению для задач, решения которых можно ускорить. Таким образом повышается эффективность планирования, моделирования и управления бизнесом, различными системами и научными разработками.