Исследователи из Гарварда осознали ключевую веху в поисках стабильных, масштабируемых квантовых вычислений, сверхвысокоскоростной технологии, которая позволит добиться революционных достижений в различных областях, включая медицину, науку и финансы.

Команда под руководством Михаила Лукина, профессора физики Университета Джошуа и Бет Фридман и содиректора Гарвардской квантовой инициативы, создала первый программируемый логический квантовый процессор, способный кодировать до 48 логических кубитов и выполнять сотни операций. операции с логическими воротами — значительное улучшение по сравнению с предыдущими попытками.

Опубликованная в журнале Nature , работа была выполнена в сотрудничестве с Маркусом Грейнером, профессором физики Джорджа Фасмера Леверетта; коллеги из Массачусетского технологического института; и QuEra Computing, бостонская компания, основанная на технологиях Гарвардских лабораторий.

Эта система является первой демонстрацией крупномасштабного выполнения алгоритмов на квантовом компьютере с коррекцией ошибок, что знаменует появление ранних отказоустойчивых или надежно непрерывных квантовых вычислений.

Лукин описал это достижение как возможный переломный момент, аналогичный первым дням в области искусственного интеллекта: идеи квантовой коррекции ошибок и отказоустойчивости, давно выдвигавшиеся в теории, начинают приносить плоды.

«Я думаю, это один из моментов, когда становится ясно, что грядет что-то особенное», — сказал Лукин. «Хотя впереди еще есть проблемы, мы ожидаем, что это новое достижение значительно ускорит прогресс в создании крупномасштабных и полезных квантовых компьютеров».

Дениз Колдуэлл из Национального научного фонда согласна.

«Этот прорыв является проявлением силы квантовой инженерии и дизайна», — сказал Колдуэлл, исполняющий обязанности помощника директора Управления математических и физических наук, которое поддерживало исследования через программы Центров физических границ NSF и Институтов квантового скачка. «Команда не только ускорила разработку квантовой обработки информации с помощью нейтральных атомов , но и открыла новую дверь для исследований крупномасштабных логических кубитовых устройств, которые могут принести преобразующую пользу науке и обществу в целом».

Это был долгий и сложный путь.

В квантовых вычислениях квантовый бит или « кубит » — это одна единица информации, точно так же, как двоичный бит в классических вычислениях. На протяжении более двух десятилетий физики и инженеры показывали миру, что квантовые вычисления в принципе возможны путем манипулирования квантовыми частицами — будь то атомы, ионы или фотоны — для создания физических кубитов.

Но успешно использовать странности квантовой механики для вычислений сложнее, чем просто накопить достаточно большое количество кубитов, которые по своей природе нестабильны и склонны выходить из своих квантовых состояний.

Настоящие монеты мира — это так называемые логические кубиты: пучки избыточных физических кубитов с исправлением ошибок, которые могут хранить информацию для использования в квантовом алгоритме. Создание логических кубитов в качестве управляемых единиц — таких как классические биты — было фундаментальным препятствием для этой области, и общепринято, что до тех пор, пока квантовые компьютеры не смогут надежно работать на логических кубитах, технология не сможет по-настоящему развиваться.

На сегодняшний день лучшие вычислительные системы продемонстрировали наличие одного или двух логических кубитов и одну операцию квантового вентиля (сродни одной единице кода) между ними.

Прорыв гарвардской команды основан на нескольких годах работы над архитектурой квантовых вычислений , известной как массив нейтральных атомов, впервые разработанной в лаборатории Лукина. В настоящее время его коммерциализирует компания QuEra, которая недавно заключила лицензионное соглашение с Управлением технологических разработок Гарварда на портфель патентов, основанный на инновациях, разработанных группой Лукина.

Ключевым компонентом системы является блок ультрахолодных взвешенных атомов рубидия, в котором атомы (физические кубиты системы) могут перемещаться и соединяться в пары (или «запутываться») в середине вычислений.

Запутанные пары атомов образуют ворота, являющиеся единицами вычислительной мощности. Ранее команда продемонстрировала низкий уровень ошибок в своих операциях по запутыванию, доказав надежность своей системы массивов нейтральных атомов.

С помощью своего логического квантового процессора исследователи теперь демонстрируют параллельное мультиплексное управление целым набором логических кубитов с помощью лазеров. Этот результат более эффективен и масштабируем, чем необходимость контролировать отдельные физические кубиты.

«Мы пытаемся обозначить переход в этой области к началу тестирования алгоритмов с использованием кубитов с исправлением ошибок вместо физических и открыть путь к более крупным устройствам», — сказал первый автор статьи Долев Блувштейн из Школы искусств и наук Гриффина. Кандидат наук. студент лаборатории Лукина.

Команда продолжит работу над демонстрацией большего количества типов операций над 48 логическими кубитами и настройкой системы для непрерывной работы, а не для ручной циклической работы, как это происходит сейчас.