Как свет меняет поведение вещества? Для обычного компьютера точный расчёт сложных квантовых взаимодействий быстро превращается в неподъёмный перебор состояний. Квантовый компьютер кажется подходящим решением, но частицы материи и частицы света подчиняются разным правилам. Физики предложили превратить это различие в преимущество новой вычислительной системы.
В Physical Review X команда под руководством Элеоноры Крейн представила архитектуру, объединяющую кубиты и микроволновые резонаторы. Такие резонаторы уже есть в сверхпроводящих квантовых устройствах. Обычно они помогают управлять кубитами и считывать результаты, а теперь им предлагают поручить часть вычислений. Это может сократить число операций при моделировании света и материи.
Почему нельзя просто добавить кубитов? В квантовой физике существуют фермионы и бозоны. Электроны и кварки относятся к фермионам: два одинаковых фермиона не могут занимать одно квантовое состояние. Поэтому для моделирования удобно записывать, занято состояние или свободно, — как переключатель с двумя положениями.
С бозонами сложнее. Фотоны и кванты колебаний кристаллов — фононы — могут находиться в одном состоянии во множестве. Чтобы описать их только кубитами, приходится кодировать число частиц двоичными разрядами и выполнять дополнительные операции. Чем больше допустимое число бозонов, тем сложнее расчёт и выше риск накопить ошибки.
Микроволновой резонатор сам содержит квантовое электромагнитное поле. В нём возможны состояния с разным числом фотонов, поэтому он естественно представляет бозонную часть модели. Кубиты отвечают за фермионную. Гибридный процессор распределяет работу между двумя разными квантовыми компонентами.
Это похоже на мастерскую, где для дерева и металла используют разные инструменты вместо одного универсального. То, что требует длинной цепочки операций с кубитами, резонатор способен представить непосредственно. Важно, что речь идёт о двух видах квантовых элементов, а не о соединении обычного компьютера с квантовым.
Авторы разработали цифровые последовательности операций для моделирования взаимодействий фермионов с бозонами, включая модели калибровочных полей. Для некоторых операций над резонатором число шагов не растёт вместе с ограничением на количество бозонов. Это важно для нынешних процессоров: каждая дополнительная операция может вносить погрешность. Меньше шагов означает меньше возможностей испортить результат.
Насколько велик выигрыш? По расчётам, гибридная система с точностью операций 99,9% может конкурировать по точности вычислений с системой только из кубитов, которой потребовались бы 99,9999%. Это одна ошибка на тысячу операций против одной на миллион. Однако речь об оценке для конкретных алгоритмов и моделей шума, а не о состоявшемся соревновании устройств.
Исследователи рассмотрели упрощённую модель взаимодействующих полей, имеющую общие черты с теориями бозона Хиггса, и учли потери и ошибки резонаторов. На этой основе они предложили эксперимент, потенциально недоступный обычным суперкомпьютерам и ближайшим машинам только из кубитов. Но это предложение, а не выполненный эксперимент. Реальное вычислительное преимущество ещё предстоит показать.
Зачем моделировать свет и материю вместе? Электроны взаимодействуют с колебаниями кристаллов, что важно для сверхпроводников и полупроводников. Свет может запускать химические реакции, а кварки и глюоны взаимодействуют внутри протонов и нейтронов. Во всех случаях приходится учитывать коллективную динамику многих квантовых компонентов.
Инструментарий включает подготовку состояний, измерения и частичное обнаружение ошибок без вспомогательных кубитов в некоторых схемах. Принцип потенциально подходит не только сверхпроводящим устройствам, но и системам захваченных ионов и нейтральных атомов. Однако перенос алгоритмов на другое оборудование не гарантирован. Реальные машины ограничены временем сохранения состояний и точностью управления.
Квантовые компьютеры пока не научились полностью воспроизводить сложные взаимодействия частиц, и проблема ошибок никуда не исчезла. Работа предлагает более экономный путь: использовать не только кубиты, но и возможности оборудования, прежде считавшегося вспомогательным. Если операции удастся реализовать надёжно, некоторые задачи станут доступнее ещё до появления больших машин с полноценной коррекцией ошибок. Возможно, следующий шаг потребует нового взгляда на уже существующие компоненты.
А затем «Добавить на главный экран».
