Учёные создали 53-кубитную квантовую систему с хорошими перспективами

Команда учёных из Университета Мэриленда (UMD) и Национального института стандартов и технологий США (NIST) впервые смоделировала рекордную по числу кубитов квантовую систему, имитирующую такие квантовые явления, как возникновение магнетизма в материалах. Ранее исследователи смогли дойти до моделирования 20-кубитной системы. Новая разработка — это уже 53 взаимодействующих атомных кубита, что в 2,5 раза больше, чем в предыдущем случае.

Классические компьютеры, что важно, уже неспособны моделировать поведение квантовых систем такого порядка, поскольку все элементы квантовой системы одновременно находятся в слишком большом числе квантовых состояний. К тому же, по мере увеличения количества исследуемых частиц (квантов) это число растёт экспоненциально. Квантовые вычислительные системы позволяют обойти этот запрет. Их нельзя назвать компьютерами в классическом смысле этого слова. По факту — это в некотором роде аналоги настоящих квантовых систем, наблюдая за поведением которых можно с уверенностью представить поведение реальных квантовых систем. Например, как в случае эксперимента в Университете Мэриленда, изучив квантовые явление возникновения магнетизма.

Квантовая система UMD-NIST представляет собой 53 отдельных ионов иттербия-171 — заряженных атомов в ловушках из позолоченных электродов. На основе представленной модели появляется возможным создать систему с большим числом кубитов и, в итоге, разработать программируемый квантовый компьютер общего назначения. Ионный кубит, по словам разработчиков, это стабильные атомные часы с отличной способностью воспроизведения. Они эффективно увязываются друг с другом с помощью внешнего лазерного излучения. Это означает, что система поддаётся перепрограммированию и реконфигурации под воздействием внешних управляющих факторов.

Атомные и, в частности, ионные кубиты интересны тем, что построенная на них квантовая система хотя и использует вакуумные камеры, но работает при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении. Подобную систему 27 ноября сделали публично доступной в Японии благодаря компании NTT. Она потребляет примерно как мощный настольный компьютер, хотя специализированные расчёты выполняет во много раз быстрее.

Модель квантовой системы UMD-NIST предельно специализированна. Каждый ион в ловушке имитирует частицу со своим спином — маленький магнит (см. на картинке выше). Таким образом — это цепочка спинов, которая моделирует квантовые магнитные явления в материалах. Сначала спины упорядочивают — придают им одинаковое направление внешним магнитным полем, а потом ослабляют поле и постепенно повышают его напряжённость. Тем самым в действие включаются квантовые явления ближнего и дальнего взаимодействия спинов, что невозможно в представленном объёме смоделировать на обычных компьютерах. В созданной на основе оптических ловушек модели всё происходит как «на самом деле», позволяя на практике наблюдать квантовый магнетизм в «естественных» условиях.