Вчені подолали складність квантових обчислень за допомогою гібридного дизайну

Квантові комп’ютери працюють за допомогою квантових воріт, але складність і велика кількість цих воріт може зменшити їх ефективність. Новий «гібридний» підхід зменшує цю складність, використовуючи взаємодію природних систем, що полегшує виконання квантових алгоритмів.

Ця інновація допомагає впоратися з властивими проблемами «шуму» сучасних квантових систем, покращуючи їх практичне використання. Цей підхід було ефективно продемонстровано за допомогою алгоритму Гровера, що дозволяє здійснювати ефективний пошук у великих наборах даних без масштабного виправлення помилок.

Проблеми квантових обчислень

У роботі квантових комп’ютерів використовуються фундаментальні блоки, які називаються квантовими вентилями, які за концепцією схожі на логічні вентилі, що використовуються в класичних комп’ютерах. Логічні вентилі виконують основні операції з даними, такі як «і», «або» або «ні». Щоб алгоритм працював на квантовому комп’ютері, його потрібно спочатку розкласти на серію цих основних квантових воріт. Однак цей процес може бути дуже складним, часто вимагаючи великої кількості операцій квантового вентиля, що може зменшити обчислювальні переваги квантових систем.

Щоб вирішити цю проблему, дослідники запровадили інноваційний «гібридний» підхід до проектування квантового обладнання. Цей метод замінює певні частини квантової схеми фізичною еволюцією, яка використовує природні взаємодії системи. Завдяки цьому гібридний підхід значно спрощує виконання квантових алгоритмів порівняно з традиційними методами, роблячи їх більш ефективними та практичними.

Сучасні квантові комп’ютери середнього масштабу ще не практичні через «шум». Цей шум виникає через те, що кубіти — основні компоненти квантового комп’ютера — можуть взаємодіяти із зовнішнім середовищем. Це створює помилки. Ці помилки виникають швидко, обмежуючи кількість часу, протягом якого квантовий комп’ютер може точно працювати. Справжні методи виправлення помилок далеко не надійні. Гібридний апаратний дизайн може дозволити дослідникам запускати квантові алгоритми з використанням сучасних технологій для практичних наукових застосувань.

Гібридний підхід до квантових обчислень

Використовуючи гібридний підхід, дослідники з Національної лабораторії Лос-Аламоса запропонували конкретну реалізацію алгоритму Гровера. Будучи одним із найвідоміших квантових алгоритмів, алгоритм Гровера дозволяє здійснювати неструктурований пошук великих наборів даних, які поглинають звичайні обчислювальні ресурси.

Алгоритм Гровера передбачає операцію чорної скриньки, яку називають «оракулом». Ця операція зазвичай вимагає виконання великої кількості квантових воріт. У цьому дослідженні команда запропонувала реалізувати оракул за допомогою лише одного обертання, природно взаємодіючи з рештою обчислювальних кубітів. Пряма взаємодія між обчислювальними кубітами ніколи не потрібна. Вся операція оракула полягає лише в застосуванні простих залежних від часу імпульсів зовнішнього поля, які обертають один оберт. Важливо те, що цей підхід топологічно захищений, що означає, що він стійкий до неточності полів керування та інших фізичних параметрів, навіть без виправлення помилок.