Гибридный квантовый компьютер с резонаторами теоретически сократит вычисления в 1000 раз

Учёные из Королевского колледжа Лондона описали архитектуру гибридного квантового компьютера, в которой кубиты работают вместе с микроволновыми резонаторами. По подсчётам авторов, для моделирования частиц разных типов такая схема требует примерно в тысячу раз меньше вычислений. Группу возглавляла Элеонор Крейн, о разработке пишет ScienceAlert, а статья опубликована в журнале Physical Review X.

Почему квантовые машины пока плохо моделируют бозоны

Все частицы делят на фермионы и бозоны. Электроны и протоны относятся к первым, фотоны, то есть кванты света, — ко вторым. Квантовые компьютеры уже неплохо воспроизводят фермионы, но для корректного описания бозонов им нужно гораздо больше кубитов.

Сложность добавляет и высокая чувствительность самих кубитов. Чем масштабнее система, тем труднее сдерживать возникающие в ней ошибки. Поэтому точно рассчитать поведение многих связанных частиц для химии и создания новых материалов пока не получается.

Как гибридный квантовый компьютер распределяет нагрузку

Резонатор — это небольшое устройство, внутри которого возникают колебательные электромагнитные поля. Его можно применять для хранения квантовой информации и точного воспроизведения бозонов. В новой схеме часть работы берут на себя резонаторы, поэтому кубитам не приходится имитировать всё в одиночку.

Авторы считают, что благодаря этому станут доступны научные задачи, которые не под силу обычным суперкомпьютерам.

Что смоделировали для проверки идеи

Исследователи смоделировали несколько физических систем. Среди них — beamsplitter, устройство, которое разделяет или объединяет лучи света. Кроме того, они рассмотрели упрощённые модели с двумя пространственными измерениями и одним временным.

Такие двумерные конструкции не отражают мир полностью, но позволяют изучать процессы, от которых зависит создание реальных материалов.

Где новая архитектура может пригодиться

По данным источника, схема открывает путь к таким направлениям:

• изучение сверхпроводников — материалов, проводящих ток без сопротивления;
• разработка более эффективных солнечных панелей;
• создание систем хранения энергии;
• поиск новых лекарств.

Все эти задачи опираются на сложные квантовые процессы, которые даже самые мощные классические компьютеры не могут рассчитать точно.

Меньше операций, меньше сбоев — но только на бумаге

У традиционных квантовых компьютеров ошибки быстро накапливаются, потому что нужно выполнить огромное число операций. Гибридная схема сокращает их количество, поэтому результаты должны быть надёжнее, а на выявление ошибок и защиту данных уйдёт меньше ресурсов.

Ждать громоздких машин с полной коррекцией ошибок тоже не нужно: кубиты и резонаторы уже существуют, а требования к точности операций близки к возможностям современных устройств. Тем не менее разработка остаётся теоретической, и её эффективность ещё предстоит подтвердить экспериментами. Если это произойдёт, квантовые вычисления быстрее придут в практическую химию, физику и материаловедение.