Original: http://jqi.umd.edu/news/programmable-ions-set-stage-general-purpose-quantum-computers
МОДУЛЬ НОВОГО КВАНТОВОГО КОМП’ЮТЕРА ПОЄДНУЄ В СОБІ ПЕРЕВІРЕНІ МЕТОДИ З ДОСЯГНЕННЯМИ В ОБЛАСТІ АПАРАТНОГО ТА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ.
3 СЕРПНЯ 2016 РОКУ
http://jqi.umd.edu/news/research-news
Квантові комп’ютери обіцяють швидкі рішення деяких складних проблем, але будівництво великомасштабних квантових пристроїв загального призначення може зумовити виникнення технічних проблем.
На сьогоднішній день багато дослідницьких груп створили невеликі, але функціональні квантові комп’ютери. Об’єднавши кілька атомів, електронів або надпровідних переходів, дослідники в даний час регулярно демонструють квантові ефекти і запускати прості квантові алгоритми-невеликі програми, присвячені вирішенню конкретних проблем.
Але ці лабораторні пристрої часто зашитими запустити одну програму або обмежується фіксованими моделями взаємодій між їх квантових складових. Створення квантового комп’ютера, який може запускати довільні алгоритми вимагає правильного виду фізичної системи і набір інструментів програмування. Атомні іони, приурочені полями з сусідніх електродів, є одним з найбільш перспективних платформ для задоволення цих потреб.
У статті, опублікованій в якості заголовної в природі 4 серпня, дослідники, що працюють з Крістофером Монро, співробітник Об’єднаного квантового інституту і Об’єднаного центру квантової інформатики та обчислювальної техніки (посилання зовнішнє) в Університеті штату Меріленд, представив перший повністю програмований і реконфігурований модуль квантового комп’ютера (посилання зовнішнє). Новий пристрій, що отримав назву модуля через його потенціал, щоб з’єднатися з копіями себе, використовує унікальні властивості пропонованих захоплених іонів для запуску будь-якого алгоритму на п’ять квантових бітів або кубітів-основною одиницею інформації в квантовому комп’ютері.
“Для будь-якого комп’ютера, щоб бути корисним, користувач не повинен бути зобов’язаний знати, що знаходиться всередині”, – каже Монро. “Дуже мало людей хвилює, що їх iPhone насправді робить на фізичному рівні. Наш експеримент приносить високоякісні квантові біти на більш високий рівень функціональності, дозволяючи їм бути запрограмовані і переконфігурувати в програмному забезпеченні”.
Новий модуль заснований на десятиліття досліджень в захоплення і контроль іонів. Він використовує стандартні методики, але також вводить нові способи контролю і виміру. Це включає в себе маніпулювання багато іонів одночасно, використовуючи масив щільно сфокусованих лазерних променів, а також виділені канали виявлення, які спостерігають за світіння кожного іона.
“Це відкриття, на які орієнтована програма центрів нових областей фізики Державного наукового фонду”, – говорить Жан Коттем Аллен, директор програми з фізики підрозділу Національного наукового фонду. “Ця робота знаходиться на кордоні квантових обчислень, і це допомагає закласти фундамент і принести практичні квантові обчислення ближче до реальності”.
Команда перевірила свій модуль на зразках трьох невеликих проблем, які квантові комп’ютери, як відомо, швидко вирішують. Маючи гнучкість для тестування модуля на безлічі проблем є важливим кроком вперед, каже Шантану Дебнат, аспірант Об’єднаного Інституту Квантум і провідний автор газети. “За рахунок прямого підключення будь-якої пари кубітів, ми можемо змінити конфігурацію системи для реалізації будь-якого алгоритму”, – говорить Дебнат. “Хоча це тільки п’ять кубітів, ми знаємо, як застосувати ту ж техніку для набагато більших колекцій”.
У глибині душі модуля, однак, є те, що навіть не квантова: база даних зберігає кращі форми для лазерних імпульсів, які керують квантові логічні, будівельні блоки квантових алгоритмів. Ці форми обчислюються завчасно за допомогою звичайного комп’ютера, і модуль використовує програмне забезпечення, щоб перевести алгоритм в імпульсів в базі даних.
Складання шматочків в одне ціле
Кожен квантовий алгоритм складається з трьох основних компонентів. По-перше, кубіти готують в певному стані; по-друге, вони проходять послідовність квантових логічних операцій; і нарешті, квантовий вимір витягує вихід алгоритму.
Модуль виконує ці завдання, використовуючи різні кольори лазерного світла. Один колір готує іони, використовуючи техніку, звану оптичну накачування, в якому кожен кубіт освітлену, поки він не знаходиться в належному стані квантової енергії. Те ж лазер допомагає зчитувати квантовий стан кожного атомарного іона в кінці процесу. Між окремий лазер вражає іони для приводу квантових логічних операцій.
Ці ворота, як комутатори і транзисторів потужності звичайних комп’ютерів. Тут, лазери штовхнути іонів і пара їх внутрішньої інформації кубіта їх руху, що дозволяє будь-які два іона в модулі для взаємодії через їх сильного електричного відштовхування. Два іони з усіх кінців ланцюга повідомлення один з одним через цього електричного взаємодії, так само, як підвищення і відпустивши один м’яч в енергії колиски передає Ньютона на іншу сторону.
Повторно конфігурованість лазерних променів є ключовою перевагою, каже Дебнат. “Зменшуючи алгоритм в серію лазерних імпульсів, які штовхають на відповідних іонів, можна переналаштувати проводку між цими кубитами ззовні”, – говорить він. “Це стає проблемою програмного забезпечення, і ніяка інша квантова обчислювальна архітектура не має такої гнучкості”.
Для тестування модуля, команда провели три різні квантові алгоритми, у тому числі демонстрація квантового перетворення Фур’є (QFT), який знаходить, як часто даної математичної функції повтору. Це ключова частина в квантової алгоритм розкладання на множники Шора, що порушило б деякі з найбільш широко використовуваних стандартів безпеки в Інтернеті, якщо працювати на досить великий квантового комп’ютера.
Два з алгоритмів успішно провів більше 90 % часу, в той час як QFT перевищила рівень успіху на 70 %. Команда каже, що це відбувається через залишкових помилок в імпульсі в формі воріт, а також систематичні помилки, які накопичуються протягом обчислення, жоден з яких з’являються принципово непереборним. Вони відзначають, що алгоритм QFT вимагає всі можливі ворота двохкубітні і повинні бути одними з найскладніших квантових обчислень.
Команда вважає, що в кінцевому підсумку більш кубітів-можливо стільки, скільки 100-можуть бути додані до їх квантового комп’ютера модуля. Крім того, можна зв’язати окремі модулі разом, або шляхом фізичного переміщення іонів або за допомогою фотонів для переносу інформації між ними.
Хоча модуль має тільки п’ять кубітів, його гнучкість дозволяє програмування квантових алгоритмів, які ніколи не запускалися раніше, говорить Debnath. Дослідники тепер шукають запускати алгоритми на модуль з великою кількістю кубітів, включаючи демонстрацію квантових підпрограм корекції помилок в рамках проекту, що фінансується Агентством із перспективних досліджень розвідувального відомства Advanced Research Projects (посилання зовнішнє).
