Ցյուրիխի շվեյցարական բարձրագույն տեխնիկական դպրոցի (ETH Zurich) ֆիզիկոսները մշակել են քվանտային համակարգչի փորձարարական ճարտարապետություն, որում տեղեկությունը պահվում է ոչ թե էլեկտրամագնիսական վիճակներում, ինչպես գոյություն ունեցող համակարգերի մեծ մասում, այլ մանրադիտակային մեխանիկական տատանումներում։ Այս տատանումները հիշեցնում են կիթառի լարի շարժումը, թեև տեղի են ունենում մարդու լսողության համար բոլորովին անհասանելի հաճախականություններով։ Հետազոտողներն արդեն ցույց են տվել, որ այս հիշողությունը կարող է մասնակցել իրական քվանտային հաշվարկների, հայտնում է ScienceDaily-ն։

Քվանտային հիշողություն՝ սովորական համակարգչի սկզբունքով

Ավանդական համակարգիչներում հաշվարկները կատարում է կենտրոնական պրոցեսորը (CPU), իսկ ընթացիկ գործողությունների համար անհրաժեշտ տվյալները ժամանակավորապես պահվում են օպերատիվ հիշողության մեջ (RAM)։ Այսպիսի բաժանումը պրոցեսորին թույլ է տալիս ըստ անհրաժեշտության դիմել տեղեկությանը՝ սեփական ռեսուրսները չծախսելով դրա մշտական պահպանման վրա։

Ֆիզիկոս Իվեն Չուի թիմը փորձել է նմանատիպ սկզբունք իրականացնել քվանտային համակարգչում։ Պրոցեսորի դերը կատարում է գերհաղորդիչ քուբիթը՝ տարր, որը կառավարում է քվանտային վիճակները և կատարում հաշվարկային գործողություններ։ Առանձին բաղադրիչը պատասխանատու է տեղեկության ժամանակավոր պահպանման համար, որը պրոցեսորը կարող է ստանալ, փոփոխել և հետ վերադարձնել։

Մշակման անսովոր կողմը հենց տվյալների պահպանման եղանակն է։ Ժամանակակից շատ քվանտային համակարգերում օգտագործվող էլեկտրամագնիսական վիճակների փոխարեն տեղեկությունը կոդավորվում է հատուկ մանրադիտակային կառուցվածքների՝ մեխանիկական ռեզոնատորների տատանումներում։

Այս տատանումները լսել հնարավոր չէ. դրանք տեղի են ունենում քվանտային չիպի ներսում՝ չափազանց բարձր հաճախականություններով։ Սակայն ֆիզիկայի տեսանկյունից դրանք կարելի է օգտագործել որպես քվանտային տեղեկության կրիչ՝ մոտավորապես այնպես, ինչպես երաժշտական գործիքի լարն իր տատանումների բնույթի միջոցով տեղեկություն է փոխանցում ձայնի մասին։

Ինչով կարող է մեխանիկական հիշողությունն ավելի լավը լինել

Քվանտային համակարգիչների գլխավոր խնդիրներից մեկը փխրուն քվանտային վիճակները ճշգրիտ կառավարելու անհրաժեշտությունն է։ Նույնիսկ աննշան արտաքին ազդեցությունները կարող են խաթարել դրանք և հանգեցնել տեղեկության կորստի։ Ուստի պրոցեսորն ու հիշողությունը պետք է բարձր ճշգրտությամբ փոխանակեն քվանտային վիճակները՝ հաշվարկների ընթացքում պահպանելով դրանց հատկությունները։

ETH Zurich-ի ճարտարապետությունում ռեզոնատորները տեղեկությունը պահում են տատանումների որոշակի ռեժիմներում։ Երբ պրոցեսորին տվյալներ են անհրաժեշտ, այն դիմում է մեխանիկական հիշողությանը, կատարում գործողությունը և փոփոխված վիճակը հետ վերադարձնում։

Այս մոտեցումն ունի մի քանի հնարավոր առավելություն։

· Կոմպակտություն։ Մեխանիկական ռեզոնատորները զգալիորեն փոքր են հիշողության բազմաթիվ էլեկտրամագնիսական տարրերից, ինչը կարող է հեշտացնել ավելի կոմպակտ քվանտային սարքերի ստեղծումը։

· Տարողություն։ Մեկ ռեզոնատորը կարող է ապահովել տատանումների բազմաթիվ տարբեր ռեժիմներ։ Սա հնարավորություն է տալիս մեկ կառուցվածքում պահել մի քանի տեղեկատվական վիճակ։

· Պահպանման տևողություն։ Մեխանիկական հիշողությունը կարող է ավելի երկար պահպանել քվանտային վիճակները՝ մինչև տեղեկությունը կսկսի քայքայվել։ Սա հատկապես կարևոր է բազմաթիվ հաջորդական գործողություններից բաղկացած հաշվարկների համար։

Վերջին հատկությունը կարող է հնարավորություն տալ կատարել ավելի բարդ հաշվարկներ, որոնց համար տվյալները պետք է երկար ժամանակ հասանելի մնան։

Այդուհանդերձ, պահպանման էլեկտրամագնիսական համակարգերը նույնպես լուրջ առավելություններ ունեն. հետազոտողները լավ են ուսումնասիրել դրանց կառավարման, քվանտային վիճակների ընթերցման և փոփոխման եղանակները։ Ուստի նոր ճարտարապետությունը չի նշանակում, որ նախկին լուծումները կորցրել են իրենց արդիականությունը։ Այն առաջարկում է քվանտային հիշողության կազմակերպման այլընտրանքային եղանակ։

Հետազոտողները համակարգը փորձարկել են իրական հաշվարկներով

Science ամսագրում հրապարակված աշխատանքն առաջին փորձարարական ցուցադրությունն էր այն բանի, որ մեխանիկական ռեզոնատորները կարող են փոխազդել գերհաղորդիչ քուբիթների հետ ոչ միայն տվյալների պահպանման, այլև քվանտային հաշվարկների կատարման համար։

Թիմը ճարտարապետությունը ստուգել է երկու կարևոր ընթացակարգով՝ Ֆուրիեի քվանտային ձևափոխությամբ և պարբերության որոնման ալգորիթմով։

Ֆուրիեի քվանտային ձևափոխությունը բազմաթիվ քվանտային ալգորիթմներում օգտագործվող հիմնարար գործողություններից մեկն է։ Պարբերության որոնումն իր հերթին թույլ է տալիս ցույց տալ, թե ինչպես է այս գործողությունը կիրառվում ավելի բարդ հաշվարկային ընթացակարգերում։

Նման առաջադրանքները հաջողությամբ կատարելու համար համակարգիչը պետք է միաժամանակ պահի մի քանի քվանտային վիճակ, կառավարի դրանք և պահպանի դրանց փոխկապակցվածությունը։ Փորձերը ցույց են տվել, որ ETH Zurich-ի համակարգը կարող է բավարարել այս պահանջները։

Սա կարևոր տարբերություն է սովորական քվանտային պահոցի ցուցադրության համեմատ. հետազոտողները ցույց են տվել, որ մեխանիկական հիշողությունը կարող է լինել հաշվարկային ճարտարապետության լիարժեք մաս։

Լաբորատոր չիպից դեպի ունիվերսալ քվանտային համակարգիչ

Հետազոտողների գնահատմամբ՝ մշակված համակարգն ունի կամայական քվանտային հաշվարկներ կատարելու համար անհրաժեշտ հիմնական հնարավորությունները։ Այլ կերպ ասած՝ խոսքը ոչ թե մեկ կոնկրետ գործողության համար նախատեսված սարքի մասին է, այլ ճարտարապետության, որը սկզբունքորեն կարելի է օգտագործել ծրագրավորվող ունիվերսալ քվանտային համակարգիչ ստեղծելու համար։

Սակայն լաբորատոր ցուցադրության և գործնական կիրառման համար պիտանի մեքենայի միջև դեռ զգալի ճանապարհ կա։ Հաջորդ քայլը համակարգի մասշտաբավորումն է. անհրաժեշտ է ավելացնել բաղադրիչների քանակն ու հաշվարկների բարդությունը՝ չկորցնելով կառավարման ճշգրտությունն ու տեղեկության պահպանման հուսալիությունը։

Իվեն Չուի թիմը շարունակում է ուսումնասիրել այս տեխնոլոգիայի հնարավորությունները։ Դրա հեռանկարները կախված կլինեն նրանից, թե արդյոք կհաջողվի պահպանել մեխանիկական հիշողության առավելությունները ավելի մեծ քվանտային համակարգերի անցնելիս։

Առայժմ վաղ է ասել, որ տատանվող ռեզոնատորները կփոխարինեն քվանտային տեղեկության պահպանման սովորական եղանակներին։ Սակայն ETH Zurich-ի աշխատանքը ցույց է տալիս, որ ապագայի քվանտային համակարգիչների ճարտարապետությունը կարելի է կառուցել ոչ միայն քուբիթների և էլեկտրամագնիսական ազդանշանների հիման վրա։ Մեխանիկական տատանումները նույնպես կարող են դառնալ հաշվարկային գործընթացի մաս և, հնարավոր է, օգնել հաղթահարել ժամանակակից փորձարարական համակարգերի որոշ սահմանափակումներ։