Прогнозирование вычислительной мощности первых квантовых компьютеров

30 сентября 2020 г., 18:05

Физики из Университета Суссекса создали алгоритм, который увеличивает скорость вычислений в первых квантовых компьютерах, которые разрабатываются в настоящее время. Они создали новый способ направления движения ионов, чтобы повысить эффективность вычислений.

Команда из Суссекса показала, как вычисления в таком квантовом компьютере могут быть выполнены наиболее эффективно с использованием их нового «алгоритма маршрутизации».

Команда, работающая над этим проектом, возглавлялась профессором Винфридом Хенсингером (Winfried Hensinger) и включала Марка Уэббера (Mark Webber), д-ра Стивена Герберта (Steven Herbert) и д-ра Себастьяна Уайдта (Sebastian Weidt). Ученые создали новый алгоритм, который регулирует трафик в квантовом компьютере точно так же, как управление движением в оживленном городе. В конструкции с захваченными ионами кубиты могут физически перемещаться на большие расстояния, поэтому они могут легко взаимодействовать с другими кубитами. Их новый алгоритм означает, что данные могут проходить в квантовом компьютере без каких-либо «пробок». Это, в свою очередь, дает начало более мощному квантовому компьютеру.

Конкретная архитектура квантового компьютера, которую команда проанализировала первой, представляет собой квантовый компьютер с «захваченными ионами», состоящий из кремниевых микрочипов с отдельными заряженными атомами или ионами, левитирующими над поверхностью чипа. Эти ионы используются для хранения данных, где каждый ион содержит один квантовый бит информации. Выполнение вычислений на таком квантовом компьютере включает перемещение ионов, аналогично игре Pac-Man, и чем быстрее и эффективнее можно перемещать данные (ионы), тем мощнее будет квантовый компьютер.

В глобальной гонке за создание крупномасштабного квантового компьютера есть два ведущих метода: сверхпроводящие устройства, на которых сосредоточены такие группы, как IBM и Google, и устройства «захваченных ионов», которые используются группой Ion Quantum Technology Университета Суссекса, и недавно созданная компания Universal Quantum, среди прочих.

У сверхпроводящих квантовых компьютеров есть стационарные кубиты, которые обычно могут взаимодействовать только с кубитами, находящимися непосредственно рядом друг с другом. Расчеты с участием далеких кубитов выполняются посредством связи через цепочку смежных кубитов, процесс похож на телефонную игру (также называемую «китайским шепотом»), когда информация передается шепотом от одного человека к другому по очереди. Так же, как и в телефонной игре, чем длиннее цепочка, тем больше искажается информация. Действительно, исследователи обнаружили, что этот процесс ограничит вычислительную мощность сверхпроводящих квантовых компьютеров.

Напротив, развернув свой новый алгоритм маршрутизации для архитектуры захваченных ионов, ученые из Суссекса обнаружили, что их подход к квантовым вычислениям позволяет достичь впечатляющего уровня вычислительной мощности. «Quantum Volume» - это новый тест, который используется для сравнения вычислительной мощности квантовых компьютеров в ближайшем будущем. Ученые смогли использовать Quantum Volume для сравнения своей архитектуры с моделью для сверхпроводящих кубитов, в которой они предполагали одинаковые уровни ошибок для обоих подходов. Они обнаружили, что подход с захваченными ионами работает стабильно лучше, чем подход со сверхпроводящими кубитами, потому что их алгоритм маршрутизации по существу позволяет кубитам напрямую взаимодействовать с большим количеством кубитов, что, в свою очередь, приводит к более высокой ожидаемой вычислительной мощности.

Марк Уэббер, доктор наук из Центра квантовых технологий Суссекса при Университете Суссекса, сказал: «Теперь мы можем прогнозировать вычислительную мощность создаваемых нами квантовых компьютеров. Наше исследование указывает на фундаментальное преимущество устройств с захваченными ионами, а новый алгоритм маршрутизации позволит нам максимально повысить производительность первых квантовых компьютеров».

Прогнозирование вычислительной мощности первых квантовых компьютеров