Японские ученые приблизились к созданию квантовых компьютеров

Японские специалисты разработали новую технологию, которая должна стать очередным шагом в реализации квантовых компьютеров. В результате совместной работы ученых из японского научного и технологического агентства, Института физических и химических исследований РИКЕН, а также компании NEC была разработана единственная в мире система способная фиксировать различия в состоянии квантовых битов или кубитов, на базе которых и будут работать будущие квантовые ПК и серверы.

Напомним, что современные компьютеры манипулируют простыми электрическими битами, которые могут быть либо во включенном состоянии, либо в выключенном. Именно комбинация двоичных включенных и выключенных битов представляет собой последовательность компьютерных данных. В теории квантовых компьютеров кубиты могут быть не только во включенном и выключенном, но и в других состояниях.

Предыдущие квантовые разработки исходили из того, что кубит необходимо зафиксировать в так называемых квантовых логических воротах, однако контролировать положение кубита в реальной вычислительной среде было практически невозможно.

"До настоящего момента контролировать и управлять положением даже одного кубита было невозможно. В теории все было просто - кубит мог быть и нулем и единицей, однако для того, чтобы начать процесс вычислений, его переходы в ноль и единицы и обратно нужно было как-то контролировать" - говорит работник исследовательской лаборатории NEC Жоу-Чен Цаи.

Новая же разработка позволяет управлять положением одного или двух кубитов, используя дополнительный кубит, расположенный между либо парой кубитов, либо двумя положениями одного кубита. Дополнительный кубит в данном случае выступает в качестве нелинейного трансформера, регистрирующего и управляющего положением переключаемого кубита.

Используя новую систему японские специалисты смогли успешно выполнять операции по переключению как одинарных, так и двойных кубитных систем.

По словам ученых, упрощенная схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берется система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или ее подсистем изменяется посредством базовых квантовых операций. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера.

Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система дает результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счет небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.

С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней.

Однако возникает вопрос: чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае, система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически, (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов.