Фізики вперше в історії реалізували квантові алгоритми на кремнії

Для кремнієвих квантових комп’ютерів поступово настає власна весна, хоча й зі значним запізненням.

Якщо брати до уваги інші методи квантового обчислення, кремнієві квантові процесори з’явились останніми. Вперше в історії дослідники реалізували прості програмні алгоритми на квантовому комп’ютері з кремнієвим процесором.

Кремнієвий етап

Фізик Лівен Вандерсіпен разом з колегами розробив простий квантовий комп’ютер з двома квантовими бітами, кубітами, тож вони змогли досягти лише елементарних обчислень. Однак цінність їхньої роботи полягає у самій демонстрації такого процесора.

“(це – ред.) демонстрація першого такого роду (квантового комп’ютера – ред.) у кремнії,”

– відзначає Джейсон Петта, квантовий фізик з Принстонського університету.

Команда Петта з Принстона також не сиділа без діла. 14 лютого вони опублікували роботу в Nature, в якій розглянули взаємодію кремнієвих кубітів зі світлом. Це явище здатне відкрити шлях до взаємодії кубітів на протилежних боках чипа, а це стане в пригоді під час масштабування таких процесорів.

Дослідники давно працюють над новими квантовими комп’ютерами, які б виконували складні обчислювальні операції, що знаходяться за межами можливостей традиційних (транзисторних) комп’ютерів. У цьому напрямку кремнієві квантові процесори значно відстають від інших технологій: раніше повідомлялося про квантові комп’ютери з надпровідниками, які містили рекордні 50 кубітів.

Перехід та масштабування

Кремній має очевидні переваги, коли мова йде про виробництво комп’ютерних процесорів. По-перше, кремній здатний зберігати “квантові властивості” значно довше за інші типи кубітів. По-друге, компанії на кшталт Intel вже пристосувалися до виробництва традиційних процесорів з використанням кремнію. Це, зокрема, спонукало Лівена Вандерсіпена з Лабораторії QuTech у Делфтському університеті та його колег співпрацювати з компанією Intel в деяких частинах дослідження.

Традиційні комп’ютери послуговуються звичайними бітами, які можуть приймати величину 0 або 1 (“сигналу немає” або “сигнал є”). Кубіти мають значну перевагу, оскільки можуть вийти за це обмеження та прийняти третій стан – стан квантової суперпозиції.

Для створення кубітів на основі кремнію науковцям довелося захопити окремий електрон у крихітній частині кремнію, яка називається квантовою точкою. У цій локалізованій зоні квантові властивості частинок в матеріалі виявляються найсильніше, тому фізики змогли прив’язати спін електрона та створити квантовий кубіт. В залежності від напрямку спіну електрона, кубіт може приймати величину 0, 1 або суперпозиції. У квантовій теорії спін є фундаментальною характеристикою, і його можна порівняти з напрямком обертання дзиґи, однак насправді електрони та інші квантові частинки не обертаються довкола власної осі, а лише мають власний момент.

Команда Вандерсіпена створила пристрій з двома квантовими точками та успішно реалізувала на них обчислення з використанням алгоритму Гровера.

Перші квантові алгоритми на кремнії

Насправді, дослідникам з Лабораторії QuTech вдалося реалізувати одночасно два квантові алгоритми на кремнієвих кубітах. Перший алгоритм, алгоритм Дойча-Йожи, дозволяє перевірити справедливість умов під час підкидання монети. Якщо після підкидання обидві сторони монети виявляються одночасно аверсом або реверсом, це означатиме шахрайство, і функція поверне “0”. Якщо ж все відбувалось “чесно” і монета мала з одного боку аверс та реверс з іншого, алгоритм одразу покаже “1”.

Оскільки у підкиданні монети присутній фактор невизначеності, квантовий алгоритм Дойча-Йожи завжди дає правильну відповідь, виконавши лише одне обчислення. Водночас класичні (детерміновані) алгоритми мають виконати велику кількість операцій та дадуть відповідь лише з певною імовірністю.

“Це можна порівняти з підкиданням монети лише один раз, аби дізнатися, чи однакові обидві сторони, чи ні,”

– пояснює фізик Том Ватсон з QuTech.

Згодом дослідники реалізували другий алгоритм, алгоритм Гровера, здатний перевірити інформацію з великого невідсортованого набору даних.

В експерименті Вандерсіпена кремнієві кубіти мали знаходитись достатньо близько один до одного аби взаємодіяти. Однак Петта та його колеги змусили їхні кубіти взаємодіяти з частинками світла (фотонами), додавши у систему мініатюрний магніт.

У майбутньому фотони можуть забезпечити “спілкування” кремнієвих кубітів на відстані, у різних частинах одного квантового чипа. Тож результати Вандерсіпена є важливим кроком у побудові повноцінної мережі кремнієвих квантових бітів, а це значно наближає нас до перших квантових процесорів на кремнії.

Nature (2018), doi: 10.1038/nature25766; Nature (2018), doi: 10.1038/nature25769