Вчені розробили принципово нову стратегію створення квантових комп’ютерів.
Квантові обчислення, незважаючи на те, що вони все ще знаходяться в зародковому стані, в рази збільшать обчислювальну потужність комп’ютерів завдяки використання дивної поведінки частинок в найдрібніших масштабах. Деякі дослідницькі групи вже повідомляють про виконання обчислень, на які у традиційного суперкомп’ютера пішли б тисячі років. У довгостроковій перспективі квантові комп’ютери забезпечать непорушне шифрування та моделювання природи за межами сьогоднішніх можливостей.
Нове дослідження
Міждисциплінарна дослідницька група під керівництвом Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, що включає співробітників Гарвардського університету, розробила принципово нову стратегію створення квантових комп’ютерів. Поки інженери використовують схеми, напівпровідники та інші інструменти електротехніки, команда вчених розробила план, заснований на здатності хіміків проектувати атомарні будівельні блоки. Вони контролюють властивості більших молекулярних структур, коли вони збираються разом.
Висновки дослідників, опубліковані в журналі Nature Chemistry, в кінцевому підсумку призведуть до стрибка потужності квантової обробки.
Квантові функціональні групи дослідників (яскраво забарвлені сфери), що з’єднуються з більшими молекулами. Фото: Стефан Салліван
Як працюють кубіти?
Базовими одиницями інформації в традиційних обчисленнях є біти, кожен з яких обмежений одним з двох значень. Навпаки, група квантових бітів – або кубітів – може мати набагато ширший діапазон значень, експоненціально збільшуючи обчислювальну потужність комп’ютера. Для представлення всього 10 кубітів потрібно більше 1 000 звичайних бітів, а для 20 кубітів потрібно більше 1 мільйона бітів.
Ця характеристика, яка лежить в основі трансформаційного потенціалу квантових обчислень, залежить від парадоксальних правил, які застосовуються при взаємодії атомів. Наприклад, коли дві частинки взаємодіють, вони можуть стати зв’язаними або заплутаними, так що вимірювання властивостей однієї визначає властивості іншої. Заплутування кубітів є вимогою квантових обчислень.
У чому проблема?
Однак ця заплутаність неміцна. Коли кубіти стикаються з тонкими змінами у своєму оточенні, вони втрачають свою “квантовість”, яка необхідна для реалізації квантових алгоритмів. Це обмежує найпотужніші квантові комп’ютери менш ніж 100 кубітами, а для підтримки їх роботи в квантовому стані потрібні занадто багато ресурсів.
Щоб застосувати квантові обчислення на практиці, інженери повинні збільшити обчислювальну потужність. Автори дослідження просунулися в цьому питанні: вони створили молекули, що захищають квантову поведінку.
Є рішення
Вчені розробили невеликі молекули, які включають атоми кальцію і кисню і діють як кубіти. Такі кальцій-кисневі структури утворюють те, що хіміки називають функціональною групою. Їх можна підключити практично до будь-якої іншої молекули, а також надати їй незвичайні властивості.
Команда показала, що їх функціональні групи зберігають бажану структуру навіть при приєднанні до набагато більших молекул. Їх хімічні кубіти навіть витримують лазерне охолодження, що є ключовою вимогою для квантових обчислень.
До чого це призведе?
Якщо зв’язати квантову функціональну групу з поверхнею або якою-небудь довгою молекулою, то можна керувати великою кількістю кубітів, пояснюють автори дослідження. Крім того, масштабування буде дуже дешевим.
Крім того, квантова функціональна група стане в нагоді для фундаментальних відкриттів в хімії та науках про життя. Наприклад, допоможе вченим більше дізнатися про структуру і функції різних молекул і хімічних речовин в організмі людини.
Також кубіти можна використовувати як високочутливі інструменти для вимірювань. Головне захистити їх так, щоб вони вижили в складних середовищах: наприклад, в біологічних системах. Тоді вчені отримають багато нової інформації про наш світ.
Однак розробка квантового комп’ютера на хімічній основі може реально зайняти десятиліття і не обов’язково буде успішною, підсумовують вчені. Для початку треба прив’язати кубіти до більших молекул, змусити їх взаємодіяти як процесори без небажаних сигналів і заплутати їх, щоб вони працювали як система.