La primera computadora cuántica del mundo. Una computadora cuántica en rusia, mito o realidad

Un grupo de físicos de EE. UU. Y Rusia ha creado y probado con éxito una computadora cuántica programable basada en 51 qubits. Esto se informó en un comunicado de prensa del Russian Quantum Center, que fue recibido por Indicator.Ru.

Muchos grupos científicos ahora están tratando de crear una computadora cuántica universal, y muchos gobiernos y corporaciones están invirtiendo en estos proyectos. Los elementos computacionales de tales computadoras, los qubits, operan sobre la base de objetos cuánticos: iones, átomos enfriados o fotones, capaces de estar en una superposición de varios estados. Esto permite a las computadoras cuánticas realizar simultáneamente, en un ciclo de reloj, muchos cálculos a la vez. Las computadoras cuánticas podrán hacer frente a tareas que a las computadoras clásicas les llevaría miles de millones de años resolver.

Las capacidades de las computadoras cuánticas dependen del número de qubits. Ya varias decenas de qubits pueden dar tal ganancia en poder computacional, que es inalcanzable para las computadoras clásicas. Hoy, el laboratorio cuántico de la corporación Google bajo la dirección de John Martinis está planeando experimentos en una computadora con 49 qubits, IBM ya está experimentando con un dispositivo de 17 qubits. La creación de una computadora de 51 qubits es un gran paso adelante en esta área.

Un grupo de científicos de la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts dirigido por Mikhail Lukin, profesor de física en Harvard y cofundador del Centro Cuántico Ruso, utilizó qubits basados ​​en átomos fríos, que se sujetaban con "pinzas" ópticas, especialmente rayos láser organizados. La mayoría de las computadoras cuánticas modernas se basan en qubits superconductores basados ​​en contactos de Josephson.

Lukin y sus colegas lograron resolver con la ayuda de su computadora cuántica el problema de modelar el comportamiento de los sistemas cuánticos a partir de muchas partículas, que era prácticamente irresoluble con la ayuda de las computadoras clásicas. Además, como resultado, pudieron predecir varios efectos previamente desconocidos, que luego se probaron con computadoras convencionales.

En un futuro cercano, los científicos tienen la intención de continuar los experimentos con una computadora cuántica. Quizás intentarán usar este sistema para probar algoritmos de optimización cuántica que pueden superar a las máquinas informáticas existentes.

Según Lukin, quien hizo una presentación en IV Conferencia Internacional sobre tecnologías cuánticas en Moscú (ICQT-2017) El 14 de julio, un artículo con los resultados del trabajo ha sido aceptado para su publicación y aparecerá en el servidor de preimpresión arXiv el domingo. La noche del 14 de julio, Lukin participará en una discusión abierta en la conferencia ICQT, que tendrá lugar después de una conferencia pública a cargo de John Martinis.

El viernes 14 de julio por la mañana, en la Conferencia Internacional sobre Tecnologías Cuánticas, Mikhail Lukin, cofundador del Centro Cuántico Ruso y profesor de la Universidad de Harvard, habló sobre la creación por parte de su grupo de investigación de un cuántico de 51 qubit totalmente programable. computadora. A primera vista, este resultado se puede llamar un avance repentino en esta área: gigantes como Google e IBM se están acercando a la marca de 50 qubit en una computadora cuántica. Ayer mismo apareció en el servidor de preimpresión arXiv.org Descripción detallada experimentar. El personal editorial N + 1 decidió averiguar qué sucedió y qué esperar de la nueva computadora cuántica.

Brevemente sobre las computadoras cuánticas: universales y no universales

¿Cómo es una computadora de 51 qubits?

Tratemos con el sistema creado por los físicos en Nuevo trabajo... El papel de los qubits lo desempeñan los átomos de rubidio fríos capturados en una trampa óptica. La trampa en sí es una matriz de 101 pinzas ópticas (rayo láser enfocado). El átomo se sostiene con pinzas en posición de equilibrio debido al gradiente campo eléctrico- es atraído hacia el área con la máxima intensidad de campo eléctrico, que se encuentra en el punto focal de las pinzas. Dado que todas las pinzas están alineadas, todos los átomos-qubits de la computadora también están alineados.

"Cero" para cada uno de los átomos de rubidio es su estado básico no excitado. "Uno" es un estado de Rydberg especialmente preparado. Este es un estado tan excitado en el que el electrón externo del rubidio está muy lejos del núcleo (en el orbital 50, 100, 1000), pero aún permanece asociado con él. Debido al gran radio, los átomos de Rydberg comienzan a interactuar (repeler) a distancias mucho mayores que los ordinarios. Esta repulsión hace posible transformar una fila de 51 átomos de rubidio en una cadena de partículas que interactúan fuertemente.

Se utiliza un sistema láser separado para controlar los estados de los qubits, capaz de excitarlos al estado de Rydberg. La característica principal y más importante de la nueva computadora es la capacidad de abordar directamente cada uno de los 51 qubits. También hay conjuntos más complejos de átomos en los que se observan estados cuánticos entrelazados (recientemente tenemos alrededor de 16 millones de átomos entrelazados por interacción con un fotón), y también se han realizado simulaciones cuánticas en más de cien átomos fríos. Pero en todos estos casos, los científicos no tenían la capacidad de controlar con precisión el sistema. Es por eso que el nuevo sistema se denomina computadora cuántica totalmente programable.

Cada cálculo en una computadora cuántica es, en cierto sentido, una simulación de un sistema cuántico real. La mayor parte del nuevo trabajo está dedicado a modelar un sistema cuántico conocido: el modelo de Ising. Describe una cadena (en este caso) de partículas con espines distintos de cero (momentos magnéticos) que interactúan con sus vecinas. El modelo de Ising se utiliza a menudo para describir el magnetismo y las transiciones magnéticas en sólidos.

El experimento se estructuró de la siguiente manera. Las partículas se enfriaron primero y se capturaron con pinzas ópticas. Este es un proceso probabilístico, por lo que al principio la matriz de partículas era caótica. Luego, utilizando una secuencia de mediciones y correcciones, se creó una matriz libre de defectos de más de 50 átomos fríos en el estado no excitado del suelo. En la siguiente etapa, se apagaron las pinzas ópticas y al mismo tiempo se encendió el sistema que excitaba los átomos al estado de Rydberg. Durante algún tiempo, el sistema evolucionó bajo la influencia de las fuerzas de van der Waals: los átomos ocuparon las posiciones más "convenientes" para ellos, después de lo cual se volvieron a encender las pinzas y se estudió el resultado de la evolución.

Los físicos observaron diferentes resultados evolutivos dependiendo de qué tan cerca estuvieran los átomos fríos antes del pulso de excitación. Esto se debe al hecho de que los átomos de Rydberg son capaces de suprimir la excitación de los vecinos de los estados de Rydberg (debido a una fuerte repulsión). Los científicos han observado sistemas en los que los átomos después de la evolución resultaron estar ordenados de modo que entre cada par de átomos vecinos de Rydberg había estrictamente uno, estrictamente dos o estrictamente tres átomos ordinarios.

Curiosamente, la formación de estructuras altamente ordenadas después de la evolución libre ocurrió con una probabilidad muy alta, incluso en el caso de una matriz de 51 átomos fríos.

Para ver cómo se lleva a cabo el proceso evolutivo, los científicos encendieron pinzas y "fotografiaron" el sistema en diferentes momentos. Resultó que en algunos casos la evolución a un estado de equilibrio procedió muy lentamente: el sistema osciló durante mucho tiempo entre varios estados. Este resultado se puede confirmar mediante un modelado clásico aproximado que implica la interacción entre los átomos vecinos vecinos y los siguientes en el análisis.

¿Es de ayuda?

Este es uno de esos casos en los que el modelado cuántico predice un efecto nuevo real. Vale la pena señalar que es imposible simular con precisión un sistema de 51 átomos fríos utilizando una computadora clásica. Para describir simplemente todos sus estados posibles, necesitará 2 51 bits de RAM (aproximadamente un petabyte). Este efecto solo se confirmó mediante un modelado aproximado en una computadora clásica.

Es interesante que en los cálculos químicos cuánticos surja exactamente la situación opuesta: las computadoras clásicas solo dan una estimación aproximada de las propiedades de los sistemas complejos, gastando enormes recursos computacionales en esto. Al mismo tiempo, el análisis directo de estos, por supuesto, sistemas cuánticos da un resultado preciso.

¿Y para qué más es útil?

Al final de la preimpresión, los autores proporcionan tradicionalmente una lista de áreas en las que los nuevos desarrollos pueden ser útiles. Algunos de ellos se pueden enumerar: la creación de superposiciones formadas por un gran número de partículas, el estudio de estados topológicos en sistemas de espín. Los físicos señalan por separado que el algoritmo es muy adecuado para resolver problemas de optimización de sistemas, cuyos tamaños superan obviamente el alcance de las computadoras convencionales. Estas tareas incluyen simulación de reacciones químicas y entrenamiento.

El sistema creado por Mikhail Lukin y sus colegas funciona ahora como un simulador cuántico: simula sistemas similares a él. Sin embargo, vale la pena señalar que los físicos ya han logrado crear válvulas CNOT lógicas que se utilizan para crear entrelazamientos en pares individuales de átomos de Rydberg. Por lo tanto, podemos decir que algunos de los algoritmos más simples se pueden implementar en el nuevo sistema (por ejemplo, el algoritmo de Deutsch o el algoritmo de Shor para números muy pequeños). Sin embargo, en esta etapa, estos algoritmos no serán útiles.

Mikhail Lukin (izquierda) y John Martinis (derecha): jefe del equipo de computadoras cuánticas de 49 qubits en Google

Centro cuántico ruso

En cierto sentido, el nuevo dispositivo ya es capaz de resolver problemas inaccesibles para las computadoras clásicas; no puede ser simulado con precisión por las computadoras convencionales. Pero es demasiado pronto para hablar de superioridad cuántica útil, que ya es útil en problemas aplicados. Muchos científicos señalan que la carrera por la supremacía cuántica ahora no conlleva nada útil desde el punto de vista de los problemas computacionales aplicados.

Vale la pena señalar que los experimentos con átomos en redes ópticas hace ya varios años sobrepasaron los límites del modelado preciso de las computadoras clásicas. Utilizan docenas de partículas interconectadas. Por ejemplo, con su ayuda, los fenómenos cooperativos cuánticos relacionados con la superfluidez y la superconductividad. ¿Es esta superioridad cuántica?

Vladimir Korolev

En el marco de la Conferencia Internacional sobre Tecnologías Cuánticas ICQT-2017, que se lleva a cabo bajo los auspicios del RQC en Moscú, el profesor de la Universidad de Harvard, cofundador del Russian Quantum Center (RQC) Mikhail Lukin dijo que un grupo de rusos y los científicos estadounidenses que trabajaban en Harvard bajo su dirección habían creado y probado la primera computadora cuántica del mundo, que constaba de 51 qubits, el sistema informático más complejo que existe en la actualidad.

Las computadoras cuánticas, dispositivos de computación especiales, cuya potencia crece exponencialmente debido al uso de las leyes de la mecánica cuántica en su trabajo, constan de qubits, celdas de memoria y, al mismo tiempo, módulos de computación primitivos que almacenan un rango de valores entre cero y uno.

Dichos dispositivos se desarrollan utilizando el método clásico o adiabático. Los defensores del primero están tratando de crear una computadora cuántica universal, en la que los qubits obedecerían las reglas por las que funcionan los dispositivos digitales ordinarios. Trabajar con él es similar a cómo los ingenieros y programadores controlan las computadoras. Una computadora adiabática es más fácil de crear, pero sus principios de funcionamiento se acercan más a las computadoras analógicas de principios del siglo XX que a los dispositivos digitales tradicionales.

En 2016, varios equipos de científicos e ingenieros de Estados Unidos, Australia y varios países europeos anunciaron que crearían una máquina de este tipo en un futuro próximo. Entonces, el equipo de John Martinis de Google ha desarrollado una versión "híbrida" inusual de la computadora cuántica universal, que combina elementos de enfoques analógicos y digitales para los cálculos.

El físico Lukin y sus colegas de RCC y Harvard pasaron por alto al grupo de Martinis, que ahora está trabajando en una máquina de computación de 22 qubit, utilizando exóticos "átomos fríos" en lugar de superconductores, como científicos de Google.

Por ejemplo, el grupo de Lukin descubrió que un conjunto de átomos, que se mantienen dentro de "células" especiales de láser y se enfrían a temperaturas ultrabajas, se pueden usar como qubits de una computadora cuántica, manteniendo la estabilidad en un rango bastante amplio de condiciones. Esto permitió a los físicos crear el dispositivo de computación cuántica más grande hasta la fecha con 51 qubits.

Usando un conjunto de tales qubits, se resolvieron varios problemas físicos, que son extremadamente difíciles de simular con la ayuda de supercomputadoras "clásicas". Los científicos pudieron calcular cómo se comporta gran nube partículas conectadas entre sí, y detectan efectos previamente desconocidos que surgen en su interior. Resultó que con la amortiguación de la excitación en el sistema, algunos tipos de oscilaciones pueden permanecer y mantenerse virtualmente indefinidamente, lo que los científicos no sospechaban antes.

Para ello, se desarrolló un algoritmo especial que permite cálculos similares de forma muy aproximada en computadoras convencionales... Los resultados fueron ampliamente consistentes, lo que confirma que el sistema de 51 qubit de los científicos de Harvard funciona en la práctica.

El equipo de científicos tiene la intención de continuar los experimentos con una computadora cuántica. Según Lukin, intentarán ejecutar el famoso algoritmo cuántico de Shor, lo que les permite descifrar la mayoría sistemas existentes cifrado basado en el algoritmo RSA. Los resultados de una computadora cuántica ya se han descrito en una de las revistas científicas revisadas por pares.

Durante la Conferencia Cuántica Internacional en Moscú, el científico ruso Mikhail Lukin presentó la computadora cuántica de 51 qubit más poderosa hasta la fecha. El número 51 no fue elegido por casualidad: Google ha estado trabajando en una computadora cuántica de 49 qubit durante mucho tiempo y, por lo tanto, era una cuestión de principios para Lukin, como científico del juego, eludir a un competidor.

"Una computadora cuántica está funcionando, es mucho más terrible que una bomba atómica", dice Sergei Belousov, cofundador del Centro Cuántico Ruso. - Él (Mikhail Lukin) hizo un sistema con más qubits. Por si acaso. Sobre este momento Creo que son más del doble de qubits que cualquier otra persona. E hizo 51 qubits a propósito, no 49. Porque Google seguía diciendo que harían 49 ".

Sin embargo, el propio Lukin y el jefe del laboratorio cuántico de Google, John Martinez, no se consideran competidores ni rivales. Los científicos están convencidos de que la naturaleza es su principal rival, y el objetivo principal es el desarrollo de tecnologías y su implementación para hacer avanzar a la humanidad a una nueva etapa de desarrollo.

"Está mal pensar en ello como una carrera", dice John Martinez. - Tenemos una verdadera carrera con la naturaleza. Porque es muy difícil construir una computadora cuántica. Y es emocionante que alguien haya logrado crear un sistema con tal gran cantidad qubits. Hasta ahora, 22 qubits es lo máximo que podíamos hacer. Aunque usamos toda nuestra magia y profesionalismo ".

Los qubits mismos, en cuyo número los científicos “compiten” tan furiosamente, son una unidad computacional que simultáneamente representa tanto cero como uno, mientras que el bit habitual es uno o el otro. Supercomputadoras modernas construyen secuencias, y las computadoras cuánticas, a su vez, realizan cálculos en paralelo, en un instante. Gracias a este enfoque, los cálculos que las supercomputadoras actuales tardarán miles de años en realizarse pueden realizarse instantáneamente mediante una computadora cuántica.

"Este es uno de los sistemas cuánticos más grandes jamás creados", dice Mikhail Lukin, profesor de la Universidad de Harvard y cofundador del Centro Cuántico Ruso. “Estamos entrando en un régimen en el que las computadoras clásicas no pueden hacer frente a los cálculos. Hicimos pequeños descubrimientos, vimos nuevos efectos que no se esperaban teóricamente, que ahora podemos, estamos tratando de comprender, pero no entendemos completamente ".

Hasta ahora, incluso los creadores de las computadoras cuánticas más poderosas no pueden decir con certeza por qué la humanidad necesitará computadoras tan poderosas. Quizás, con su ayuda, se desarrollarán materiales fundamentalmente nuevos. Se pueden realizar nuevos descubrimientos en el campo de la física o la química. O quizás las computadoras cuánticas finalmente nos ayuden a comprender completamente la naturaleza del cerebro y la conciencia humanos.

“Cuando se hace un descubrimiento científico, sus creadores no representan todo el poder que traerá”, dice Ruslan Yunusov, director del Centro Cuántico Ruso. - Aquí hay un ejemplo de un transistor. Cuando se inventó el transistor, nadie imaginó que las computadoras se construirían con este transistor. Y cuando construyeron computadoras, nadie imaginó cuánto cambiaría la vida ".

Científicos rusos y estadounidenses de la Universidad de Harvard, que trabajan en el grupo de Mikhail Lukin, han creado una computadora cuántica de 51 qubit, la más poderosa del mundo en la actualidad. El cofundador del Russian Quantum Center (RQC), el profesor Lukin, lo anunció en su informe en la Conferencia Internacional sobre Tecnologías Cuánticas (ICQT-2017), que se celebró en Moscú en julio bajo los auspicios del RQC.

A diferencia de las computadoras digitales clásicas, en las que la memoria se basa en el principio código binario(0 o 1, "sí" o "no"), las computadoras cuánticas se construyen sobre la base de qubits, bits cuánticos. También admiten dos estados (0 y 1), pero debido a sus propiedades cuánticas, el qubit también admite estados de superposición, es decir, relativamente hablando, muchos estados intermedios entre dos estados fundamentales descritos por números complejos (imaginarios). Está claro que, en tales condiciones, la potencia y la velocidad de una computadora cuántica son varios órdenes de magnitud superiores.

La idea misma de utilizar la computación cuántica para resolver puramente problemas de matematicas propuesto en 1980 por Yuri Manin del Instituto Steklov, y un año después, Richard Feynman formuló el principio de construcción de una computadora cuántica. Pero pasaron décadas antes de que aparecieran tecnologías que pudieran poner en práctica sus ideas.

El principal problema era crear qubits de trabajo estables. El grupo de Lukin no usó superconductores para ellos, sino los llamados átomos fríos, que se mantienen dentro de trampas láser a temperaturas ultrabajas. Esto permitió a los físicos crear la máquina de computación cuántica más grande del mundo de 51 qubits y evitar a sus colegas, el grupo de Christopher Monroe en la Universidad de Maryland (dispositivo de 5 qubits) y el grupo de Google de John Martinis (dispositivo de 22 qubits).

En sentido figurado, durante la construcción de una computadora qubit, los físicos volvieron de lo digital a dispositivos analógicos la primera mitad del siglo pasado. Ahora su tarea es pasar a lo digital en un nuevo nivel cuántico. Usando un conjunto de qubits basados ​​en "átomos fríos", el equipo de Lukin ya ha podido resolver varios problemas físicos particulares que son extremadamente difíciles de simular con computadoras clásicas.

En un futuro cercano, los científicos tienen la intención de continuar los experimentos con una computadora cuántica. Además de resolver problemas puramente científicos en el campo de la mecánica cuántica, el profesor Lukin no excluye que su equipo intente implementar en él el famoso algoritmo cuántico de Shor, ante lo cual los sistemas de cifrado existentes son impotentes. Pero hay muchas otras áreas prácticas en las que una nueva generación de computadoras podría revolucionar. Por ejemplo, la hidrometeorología, donde ahora claramente no hay suficiente potencia de los dispositivos informáticos existentes para mejorar la precisión de los pronósticos meteorológicos.

Las computadoras cuánticas están dando sus primeros pasos, pero no está lejano el momento en que se convertirán en algo tan común como las PC actuales.