На квантовые компьютеры возлагают большие надежды. Например, китайские исследователи разработали архитектуру такой системы, которая потенциально сможет раскрыть любой существующий шифр – это пока лишь теория. А ученые из Австралии, Голландии и Японии независимо друг от друга добилась на практике точности квантовых вычислений выше 99%.
Почему не 100%
Квантовые компьютеры работают с кубитами. Если привычные нам биты могут принимать только одно значение – либо 0, либо 1, – то кубиты одновременно находятся в обоих состояния. Такой подход позволяет во много раз увеличить скорость решения некоторых задач, например, моделирования систем, которые состоят из множества частиц, создания искусственного интеллекта или дешифровки сложных комбинаций.
Обычные компьютеры, даже те, что с приставкой «супер», решают такие задачи простым перебором всех доступных вариантов – а их могут быть миллиарды. Квантовые компьютеры уже располагают всеми возможными комбинациями – и им остается лишь выбрать из них подходящую.
В квантовых компьютерах используются особые алгоритмы, основанные на эффектах квантовой механики – теории, которая описывает процессы в масштабе атомов и субатомных частиц. Но, как и в любой вычислительной системе, здесь тоже возникают ошибки. А так как квантовый компьютер сложнее обычного, и технологии его создания не настолько совершенны, то отследить и исправить ошибки непросто. Именно поэтому точность квантовых вычислений пока не 100%.
Выход на новый уровень
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии выполняли вычисления на квантовом компьютере из трех кубитов. Физически он представляет собой электрон и два атома фосфора, которые были введены в кремний путем ионной имплантации, пояснил автор исследования Андреа Морелло. В тестах с одним кубитом исследователи добились точности 99,95%, с двумя кубитами – 99,37%.
Представление художника о квантовой запутанности между тремя кубитами в кремнии: двумя ядерными спинами (красные сферы) и одним электронным спином (блестящий эллипс), который обертывает оба ядра. Изображение: UNSW / Тони Мелоу
Морелло также показал, что их квантовый компьютер способен сохранять информацию в кремнии до 35 секунд – для подобных систем это граничит с вечностью. Для понимания: квантовые компьютеры Google и IBM хранят данные около 100 микросекунд. Но чтобы увеличить время хранения, пришлось изолировать спины электронов друг от друга. Из-за этого они не взаимодействовали друг с другом, что для реальных вычислений не имеет смысла. Когда же в систему ввели атомы фосфора, с которыми взаимодействовал один и тот же электрон, проблема была решена.
Команда Сейго Таруча из Института физико-химических исследований RIKEN в Японии независимо от австралийских коллег проводила эксперименты в системе из двух кубитов на базе кремниевых и кремний-германиевых наноструктур с квантовыми точками. Для опытов с одним кубитом точность составила 99,84%, для двух – 99,51%.
Подобный квантовый компьютер использовала и команда ученых из Технологического института Делфта в Нидерландах под руководством Ливена Вандерсипена. В опытах с одним кубитом точность достигла 99,87%, с двумя – 99,65%.
Так как ошибок в квантовых вычислениях стало меньше, ученые предполагают, что очень скоро разработают эффективные методы коррекции и добьются повышения точности. Кроме того, результаты экспериментов показали, что спиновые кубиты в кремнии – наиболее перспективная основа для подобных систем.