Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) разработали экспериментальную архитектуру квантового компьютера, в которой информация хранится не в электромагнитных состояниях, как в большинстве существующих систем, а в микроскопических механических колебаниях. Такие вибрации напоминают движение гитарной струны, хотя происходят на частотах, совершенно недоступных человеческому слуху. Исследователи уже продемонстрировали, что эта память способна участвовать в реальных квантовых вычислениях, рассказывает ScienceDaily.

Квантовая память по принципу обычного компьютера

В традиционных компьютерах вычислениями занимается центральный процессор (CPU), а данные, необходимые для текущих операций, временно хранятся в оперативной памяти (RAM). Такое разделение позволяет процессору обращаться к информации по мере необходимости, не занимая собственные ресурсы ее постоянным хранением.

Команда физика Ивен Чу попыталась реализовать похожий принцип в квантовом компьютере. Роль процессора выполняет сверхпроводящий кубит — элемент, который управляет квантовыми состояниями и проводит вычислительные операции. Отдельный компонент отвечает за временное хранение информации, которую процессор может извлекать, изменять и возвращать обратно.

Необычность разработки заключается в самом способе хранения данных. Вместо электромагнитных состояний, используемых во многих современных квантовых системах, информация кодируется в механических колебаниях специальных микроскопических структур — механических резонаторов.

Эти колебания нельзя услышать: они происходят на чрезвычайно высоких частотах внутри квантового чипа. Однако с точки зрения физики их можно использовать как носитель квантовой информации — примерно так же, как струна музыкального инструмента передает информацию о звуке через характер своих колебаний.

Чем механическая память может быть лучше

Одна из главных проблем квантовых компьютеров — необходимость точно управлять хрупкими квантовыми состояниями. Даже небольшие внешние воздействия способны нарушить их и привести к потере информации. Поэтому процессор и память должны обмениваться квантовыми состояниями с высокой точностью, сохраняя их свойства во время вычислений.

В архитектуре ETH Zurich резонаторы удерживают информацию в определенных режимах вибрации. Когда процессору требуются данные, он обращается к механической памяти, выполняет операцию и возвращает измененное состояние обратно.

У такого подхода есть несколько потенциальных преимуществ.

· Компактность. Механические резонаторы значительно меньше многих электромагнитных элементов памяти, что может облегчить создание более компактных квантовых устройств.

· Емкость. Один резонатор способен поддерживать множество различных режимов колебаний. Это открывает возможность хранить несколько информационных состояний в одной структуре.

· Время хранения. Механическая память может дольше сохранять квантовые состояния, прежде чем информация начнет разрушаться. Это особенно важно для вычислений, состоящих из множества последовательных операций.

Последнее свойство потенциально позволит выполнять более сложные вычисления, для которых данные должны оставаться доступными на протяжении длительного времени.

Впрочем, электромагнитные системы хранения тоже имеют серьезные преимущества: исследователи хорошо изучили способы управления ими, считывания и изменения квантовых состояний. Поэтому новая архитектура не означает, что прежние решения потеряли актуальность. Она предлагает альтернативный способ организации квантовой памяти.

Исследователи проверили систему на настоящих вычислениях

Работа, опубликованная в журнале Science, стала первой экспериментальной демонстрацией того, что механические резонаторы могут взаимодействовать со сверхпроводящими кубитами не только для хранения данных, но и для выполнения квантовых вычислений.

Команда проверила архитектуру на двух важных процедурах — квантовом преобразовании Фурье и алгоритме поиска периода.

Квантовое преобразование Фурье — одна из фундаментальных операций, используемых во многих квантовых алгоритмах. Поиск периода, в свою очередь, позволяет продемонстрировать, как эта операция применяется в составе более сложных вычислительных процедур.

Для успешного выполнения таких задач компьютеру необходимо одновременно хранить несколько квантовых состояний, управлять ими и сохранять их взаимосвязи. Эксперименты показали, что система ETH Zurich способна справляться с этими требованиями.

Это важное отличие от демонстрации обычного квантового хранилища: исследователи показали, что механическая память может быть полноценной частью вычислительной архитектуры.

От лабораторного чипа к универсальному квантовому компьютеру

По оценке исследователей, разработанная система обладает необходимыми базовыми возможностями для выполнения произвольных квантовых вычислений. Иными словами, речь идет не об устройстве, предназначенном для одной конкретной операции, а об архитектуре, которую в принципе можно использовать для создания программируемого универсального квантового компьютера.

Однако между лабораторной демонстрацией и практической машиной остается значительная дистанция. Следующий шаг — масштабирование системы: необходимо увеличить количество компонентов и сложность вычислений, не потеряв точность управления и надежность хранения информации.

Команда Ивен Чу продолжает изучать возможности этой технологии. Ее перспективы будут зависеть от того, удастся ли сохранить преимущества механической памяти при переходе к более крупным квантовым системам.

Пока рано говорить, что вибрирующие резонаторы заменят привычные способы хранения квантовой информации. Но работа ETH Zurich показывает, что архитектуру будущих квантовых компьютеров можно строить не только вокруг кубитов и электромагнитных сигналов. Механические колебания тоже способны стать частью вычислительного процесса — и, возможно, помогут преодолеть некоторые ограничения современных экспериментальных систем.