Един ден квантовите компютри биха могли да извадят от водата скучните стари класически компютри, но досега тяхната сложност ограничава тяхната полезност. Инженерите от Станфорд демонстрираха нов сравнително прост дизайн за квантов компютър, при който един атом е оплетен с поредица от фотони за обработка и съхранение на информация.
Квантовите компютри се докосват до странния свят на квантовата физика, за да извършват изчисления много по-бързо, отколкото традиционните компютри могат да се справят. Когато съществуващите машини съхраняват и обработват информация в битове, като единици и нули, квантовите компютри използват кубити, които могат да съществуват като единица, нула или суперпозиция на една и нула едновременно. Това означава, че тяхната мощност се увеличава експоненциално с всеки добавен кубит, което им позволява да се справят с проблеми извън обсега на класическите компютри.
Разбира се, квантовите компютри носят свои собствени предизвикателства. От една страна, квантовите ефекти, върху които работят, са чувствителни към смущения като вибрации или топлина, така че квантовите компютри трябва да се поддържат при температури, близки до абсолютната нула. Като такива, тяхната сложност се увеличава с изчислителната мощност на машината, така че те стават физически по-големи и по-тромави с добавянето на повече процесорна мощност.
Но екипът на Станфорд казва, че новият им дизайн е измамно прост. Това е фотонна верига, направена с помощта на няколко компонента, които вече са налични – оптичен кабел, разделител на лъча, два оптични превключвателя и оптична кухина – и може да намали броя на необходимите физически логически порти.
„Обикновено, ако искате да изградите този тип квантов компютър, трябва да вземете потенциално хиляди квантови излъчватели, да ги направите всички напълно неразличими и след това да ги интегрирате в гигантска фотонна верига“, казва Бен Бартлет, водещ автор на ученето. „Като има предвид, че с този дизайн се нуждаем само от шепа относително прости компоненти и размерът на машината не се увеличава с размера на квантовата програма, която искате да стартирате.
Новият дизайн се състои от две основни части: пръстен, който съхранява фотони, и разсейващ блок. Фотоните представляват кубити, като посоката, в която се движат около пръстена, определя дали тяхната стойност е единица или нула – или и двете, ако пътува едновременно в двете посоки, благодарение на странностите на квантовата суперпозиция.
За да кодира информация за фотоните, системата може да ги насочи извън пръстена към разсейващата единица, където те влизат в кухина, съдържаща един атом. Когато фотонът взаимодейства с атома, те се заплитат, квантово състояние, при което двете частици вече не могат да бъдат описани поотделно и промените, направени в едната, ще засегнат партньора, без значение колко голямо разстояние ги разделя.
На практика, след като фотонът се върне в пръстена за съхранение, той може да бъде „записан“ чрез манипулиране на атома с лазер. Екипът казва, че един атом може да бъде нулиран и използван повторно, манипулирайки много различни фотони в единия пръстен. Това означава, че мощността на квантовия компютър може да бъде увеличена чрез добавяне на повече фотони към пръстена, вместо да се налага добавяне на повече пръстени и разсейващи единици.
„Чрез измерване на състоянието на атома можете да телепортирате операции върху фотоните“, казва Бартлет. „Така че имаме нужда само от един контролируем атомен кубит и можем да го използваме като прокси за непряко манипулиране на всички други фотонни кубити.“
Важно е, че тази система трябва да може да изпълнява различни квантови операции. Екипът казва, че различни програми могат да се изпълняват на една и съща верига, като се напише нов код, за да се промени как и кога взаимодействат атомът и фотоните.
„За много фотонни квантови компютри портите са физически структури, през които преминават фотоните, така че ако искате да промените програмата, която се изпълнява, това често включва физическо преконфигуриране на хардуера“, казва Бартлет. „Като има предвид, че в този случай не е необходимо да сменяте хардуера – просто трябва да дадете на машината различен набор от инструкции.“
Още по-добре, фотонните квантови компютърни системи могат да работят при стайна температура, премахвайки обема, добавен от системите за екстремно охлаждане.
Изследването е публикувано в списанието Оптика.
Източник: Станфордския университет
.
Публикациите се превеждат автоматично с google translate
