Квантовые вычисления, несмотря на то, что они все еще находятся в зачаточном состоянии, в разы увеличат вычислительную мощность компьютеров за счет использования странного поведения частиц в мельчайших масштабах. Некоторые исследовательские группы уже сообщают о выполнении вычислений, на которые у традиционного суперкомпьютера ушли бы тысячи лет. В долгосрочной перспективе квантовые компьютеры обеспечат нерушимое шифрование и моделирование природы за пределами сегодняшних возможностей.
Новое исследование
Междисциплинарная исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, включающая сотрудников Гарвардского университета, разработала принципиально новую стратегию создания квантовых компьютеров. Пока сейчас инженеры используют схемы, полупроводники и другие инструменты электротехники, команда ученых разработала план, основанный на способности химиков проектировать атомарные строительные блоки. Они контролируют свойства более крупных молекулярных структур, когда они собираются вместе.
Выводы исследователей, опубликованные в журнале Nature Chemistry, в конечном итоге приведут к скачку мощности квантовой обработки.
Изображение: Стефан Салливан
«Идея состоит в том, чтобы вместо создания квантового компьютера позволить химикам построить его для нас, — объясняет Эрик Хадсон, профессор физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и автор исследования. — Все мы все еще изучаем правила для этого типа квантовой технологии. Сейчас эта работа, скорее, научно-фантастическая».
Как работают кубиты?
Базовыми единицами информации в традиционных вычислениях являются биты, каждый из которых ограничен одним из двух значений. Напротив, группа квантовых битов — или кубитов — может иметь гораздо более широкий диапазон значений, экспоненциально увеличивая вычислительную мощность компьютера. Для представления всего 10 кубитов требуется более 1 000 обычных битов, а для 20 кубитов требуется более 1 миллиона битов.
Эта характеристика, которая лежит в основе трансформационного потенциала квантовых вычислений, зависит от парадоксальных правил, которые применяются при взаимодействии атомов. Например, когда две частицы взаимодействуют, они могут стать связанными или запутанными, так что измерение свойств одной определяет свойства другой. Запутывание кубитов является требованием квантовых вычислений.
В чем проблема?
Однако эта запутанность непрочна. Когда кубиты сталкиваются с тонкими изменениями в своем окружении, они теряют свою «квантовость», которая необходима для реализации квантовых алгоритмов. Это ограничивает самые мощные квантовые компьютеры менее чем 100 кубитами, а для поддержания их работы в квантовом состоянии требуются слишком ресурсов.
Чтобы применить квантовые вычисления на практике, инженеры должны увеличить вычислительную мощность. Авторы исследования продвинулись в этом вопросе: они создали молекулы, защищающие квантовое поведение.
Есть решение
Ученые разработали небольшие молекулы, которые включают атомы кальция и кислорода и действуют как кубиты. Такие кальций-кислородные структуры образуют то, что химики называют функциональной группой. Их можно подключить практически к любой другой молекуле, а также придать ей необычные свойства.
Команда показала, что их функциональные группы сохраняют желаемую структуру даже при присоединении к гораздо более крупным молекулам. Их химические кубиты даже выдерживают лазерное охлаждение, что является ключевым требованием для квантовых вычислений.
К чему это приведет?
Если связать квантовую функциональную группу с поверхностью или какой-нибудь длинной молекулой, то можно управлять большим количеством кубитов, объясняют авторы исследования. Кроме того, масштабирование будет очень дешевым. «Атом — одна из самых дешевых вещей во Вселенной. Их можно сделать столько, сколько захотите», — отметили ученые.
Кроме того, квантовая функциональная группа пригодится для фундаментальных открытий в химии и науках о жизни. Например, поможет ученым больше узнать о структуре и функциях различных молекул и химических веществ в организме человека.
Также кубиты можно использовать как высокочувствительные инструменты для измерений. Главное — защитить их так, чтобы они выжили в сложных средах: например, в биологических системах. Тогда ученые получат много новой информации о нашем мире.
Однако разработка квантового компьютера на химической основе может реально занять десятилетия и не обязательно будет успешной, заключают ученые. Для начала надо привязать кубиты к более крупным молекулам, заставить их взаимодействовать как процессоры без нежелательных сигналов и запутать их, чтобы они работали как система.
Читать далее:
Скоро на Землю обрушится солнечная буря: материал летит со скоростью 800 км/с
Ученые сняли на видео странное существо с щупальцами, которое приняли за цветок
Россия покидает МКС: что теперь будет и почему обслуживание станции под угрозой