|
Квантовую телепортацию применили для вычислений
|
|
|
|
Выполнение сложных алгоритмов на квантовых компьютерах в конечном итоге потребует доступа к десяткам тысяч аппаратных кубитов. Для большинства разрабатываемых технологий это создает проблему: сложно создать аппаратное обеспечение, способное вместить такое количество кубитов. В результате люди рассматривают различные идеи о том, как мы могли бы объединить процессоры, чтобы они функционировали как единый вычислительный блок (задача, которая, очевидно, была решена для классических компьютеров).
|
|
|
|
В сегодняшнем выпуске журнала Nature команда из Оксфордского университета описывает использование квантовой телепортации для соединения двух частей квантового оборудования, которые были расположены примерно в 2 метрах друг от друга, что означает, что они легко могли находиться в совершенно разных комнатах. После объединения две аппаратные части могут рассматриваться как единый квантовый компьютер, позволяющий выполнять простые алгоритмы, которые включают операции по обе стороны 2-метрового промежутка.
|
|
|
|
Квантовая телепортация... отличается
|
|
|
|
Наше представление о телепортации во многом сформировалось благодаря "Звездному пути", где люди исчезают из одного места и одновременно появляются в другом. Квантовая телепортация работает по-другому. Вместо этого вам нужно предварительно расположить квантовые объекты как на исходном, так и на принимающем концах телепорта и запутать их. Как только это будет сделано, можно выполнить ряд действий, которые заставят получателя принять квантовое состояние источника. Процесс выполнения этой телепортации включает в себя измерение исходного объекта, которое разрушает его квантовое состояние, даже когда он появляется в удаленном месте, так что это действительно перекликается с популярной концепцией телепортации.
|
|
|
|
|
|
|
(Это важно, потому что правила квантовой механики диктуют, что вы не можете просто скопировать квантовое состояние.)
|
|
|
|
Легко представить это как способ обмена информацией между различными квантовыми чипами, выполняющий часть вычислений на одном чипе, прежде чем передать готовый ответ на второй для дальнейшей работы. Но возможности гораздо более сложные, поскольку операции, необходимые для выполнения телепортации, состоят из манипуляций, которые также могут выполнять алгоритмическую операцию, называемую воротами. Другими словами, с помощью телепортации можно выполнять вычисления.
|
|
|
|
При правильном сочетании операций телепортации можно использовать полный набор логических квантовых элементов. Другими словами, вы можете создать универсальный квантовый компьютер, способный выполнять любой квантовый алгоритм, просто выполнив телепортацию.
|
|
|
|
Процесс телепортации с помощью квантовых врат может показаться сложным, учитывая, что можно просто использовать классические компоненты квантового оборудования для передачи информации между удаленными устройствами. Но интерфейс между классическим и квантовым миром создает риск ошибки. Телепортация, напротив, выполняется без потерь; частота ошибок при ней должна быть такой же, как и при любой операции, выполняемой на одном локальном оборудовании.
|
|
|
|
Из-за его преимуществ люди уже рассматривали возможность включения телепортации через врата в алгоритмы. И было проведено несколько демонстраций между аппаратными кубитами, расположенными в разных частях единой системы. Но до сих пор не было сообщений о том, чтобы это использовалось между физически разделенными аппаратными средствами.
|
|
От теории к аппаратному обеспечению
|
|
|
|
Оксфордская команда была просто заинтересована в проверке концепции и поэтому использовала чрезвычайно упрощенную систему. На каждом конце 2-метрового промежутка была установлена единственная ловушка, удерживающая два иона: один стронций и один кальций. Эти два атома могли быть связаны друг с другом, что позволяло им работать как единое целое. Ион кальция служил локальной памятью и использовался в вычислениях, в то время как ион стронция служил одним из двух концов квантовой сети. Оптический кабель, проложенный между двумя ионными ловушками, позволял фотонам связывать два иона стронция, заставляя всю систему работать как единое целое.
|
|
|
|
Ключевым моментом в используемых здесь процессах запутывания является то, что в случае сбоя система остается в своем первоначальном состоянии, а это означает, что исследователи могут просто продолжать попытки до тех пор, пока кубиты не будут запутаны. Событие запутывания также привело бы к появлению фотона, который можно было бы измерить, что позволило бы команде узнать, когда был достигнут успех (такого рода запутывание с сигналом успеха те, кто работает в этой области, называют "предвестником").
|
|
|
|
Исследователи показали, что эта настройка позволяет им телепортироваться с помощью определенного режима управления (controlled-Z), который может служить основой для любого другого режима управления с двумя кубитами - любая операция, которую вы, возможно, захотите выполнить, может быть выполнена с использованием определенной комбинации этих режимов. После многократного использования этих шлюзов команда обнаружила, что типичная точность составляет около 70 процентов. Но они также обнаружили, что ошибки, как правило, не имеют ничего общего с процессом телепортации и являются результатом локальных операций на одном из двух концов сети. Они подозревают, что использование коммерческого оборудования, которое имеет гораздо более низкую частоту ошибок, значительно улучшило бы ситуацию.
|
|
|
|
Наконец, они применили версию алгоритма Гровера, который может с помощью одного запроса идентифицировать один элемент из сколь угодно большого неупорядоченного списка. "Произвольный" аспект определяется количеством доступных кубитов; в данном случае, при наличии только двух кубитов, список был увеличен до четырех элементов. Тем не менее, это сработало, опять же с точностью около 70 процентов.
|
|
|
|
Хотя работа велась с захваченными ионами, почти каждым типом разрабатываемых кубитов можно управлять с помощью фотонов, поэтому общий подход не зависит от аппаратного обеспечения. И, учитывая сложность нашего оптического оборудования, должно быть возможно соединить несколько чипов на разных расстояниях, используя оборудование, которое не требует наилучшего вакуума или самых низких температур, которые мы можем создать.
|
|
|
|
Тем не менее, частота ошибок на этапах телепортации все еще может быть проблемой, даже если она была ниже, чем базовая аппаратная частота в этих экспериментах. Точность обработки составила 97 процентов, что ниже, чем частота аппаратных ошибок большинства кубитов, и достаточно высоко, чтобы мы не смогли выполнить слишком много из них до того, как вероятность ошибок станет неприемлемо высокой.
|
|
|
|
Тем не менее, уровень ошибок на нашем оборудовании изначально был намного выше, чем сегодня; последовательные усовершенствования оборудования в разных поколениях были обычным делом. Учитывая, что это первая демонстрация телепортируемых врат, нам, возможно, придется подождать, прежде чем мы сможем увидеть, будет ли уровень ошибок снижаться аналогичным образом.
|
|
|
|
Источник
|
