Учёные собрали простейший квантовый компьютер

Оптические пути, которые использовались для запуска фотонов

(иллюстрация J.B. Spring et al., Science).

Мы уже неоднократно писали о попытках учёных приблизить создание принципиально новых квантовых компьютеров, в которых информация будет передаваться с помощью фотонов. И вот сразу четыре отдельные команды исследователей сделали ещё один небольшой шаг в этом направлении. Они представили простую и пока сильно ограниченную модель квантовых вычислений, которая в будущем может оставить обыкновенные компьютеры далеко позади.

Две работы (1 и 2) опубликованы в журнале Science, ещё две пока не одобрены к публикации в научных журналах и находятся в архиве препринтов Корнельского университета.

Информация в квантовых системах закодирована в поляризации фотонов. Если в обычном компьютере единица информации может кодировать только одно значение — "единица" или "ноль", то фотон может нести оба значения одновременно, имея сразу и горизонтальную, и вертикальную поляризацию. Это позволяет существенно увеличить производительность и решать проблемы, которые поставят в тупик любой современный компьютер. Ведь вычисления в таких системах можно проводить одновременно, а не поочерёдно.

Четыре группы физиков из Великобритании, Австралии, Италии и Австрии независимо разработали устройство, которое использует явление "бозонной выборки". Оно представляют собой сеть оптоволоконных путей на микрочипе, которая имеет несколько входов и выходов.

Отдельные фотоны запускаются в лабиринт, где на перекрёстках они проходят через систему зеркал светоделителей, которые — пятьдесят на пятьдесят - либо отражают фотон, либо позволяют ему пройти. До выхода из лабиринта каждый фотон трижды сталкивается со светоделителем.

Из-за сложной квантовой природы сделать расчёт, из какого именно выхода появится фотон, очень тяжело, даже если в систему запущена всего одна частица. А если увеличить количество возможных путей в лабиринте и запустить туда одновременно несколько фотонов, сделать прогноз будет ещё сложнее. Ведь вдобавок ко всему частицы начнут взаимодействовать между собой. Даже если их каждый раз запускать в одни и те же входы, они будут постоянно появляться из разных выходов.По сути, эта модель является физическим воплощением математической функции, называемой перманентом матрицы.

Смоделировать решение задачи на обычном компьютере можно до тех пор, пока лабиринт небольшой и по нему путешествуют лишь несколько фотонов. Но если увеличить число фотонов и возможных путей всего в несколько раз, то такие расчёты станут непосильны даже для самых мощных машин современности.

Поэтому физики предлагают не вычислять результат, а просто измерить его. На выходе из лабиринта установлены детекторы, которые обнаруживают частицы после каждого запуска и выявляют вероятность их появления для каждого выхода.

Таким образом, устройство представляет собой простейший квантовый компьютер, правда, пока заточенный под решение одной единственной задачи – расчёта перманента матрицы.

Учёные подчёркивают, что основная задача их исследования состояла в том, чтобы продемонстрировать принципиальную возможность использования фотонных устройств для решения задач. Однако они надеются, что в будущем подобные технологии приведут к созданию абсолютно нового типа устройств, которые вытеснят компьютеры в современном понимании этого слова.

Также по теме:
Создан первый в мире квантовый маршрутизатор
Создан квантовый компьютер в алмазе
Физики впервые получили квантовую спутанность двух алмазов при комнатной температуре