|
Квантовые компьютеры для решения ранее неразрешимых задач
|
|
|
|
Физики изобрели новый тип аналогового квантового компьютера, который может решать сложные физические задачи, которые не могут решить самые мощные цифровые суперкомпьютеры. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Physics совместными усилиями ученых из Стэнфордского университета в США и Университетского колледжа Дублина (UCD) в Ирландии, показало, что новый тип высокоспециализированного аналогового компьютера, схемы которого содержат квантовые компоненты, может решать проблемы на переднем крае. квантовой физики, которые ранее были недоступны. При увеличении масштаба такие устройства могут пролить свет на некоторые из наиболее важных нерешенных проблем в физике.
|
|
|
|
Например, ученые и инженеры давно хотели лучше понять сверхпроводимость, потому что существующие сверхпроводящие материалы, например те, которые используются в аппаратах МРТ, высокоскоростных поездах и энергосберегающих сетях дальнего действия, в настоящее время работают только при экстремально низких температурах. , что ограничивает их более широкое использование. Святым Граалем материаловедения является поиск материалов, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре, что произвело бы революцию в их использовании во множестве технологий. Доктор Эндрю Митчелл — директор Центра квантовой инженерии, науки и технологий UCD (C-QuEST), физик-теоретик Школы физики UCD и соавтор статьи.
|
|
|
Он сказал: «Некоторые проблемы просто слишком сложны, чтобы их могли решить даже самые быстрые цифровые классические компьютеры. Точное моделирование сложных квантовых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники, является действительно важным примером — такого рода вычисления выходят далеко за рамки текущих возможностей, потому что экспоненциального времени вычислений и требований к памяти, необходимых для имитации свойств реалистичных моделей».
|
|
|
|
«Однако технологические и инженерные достижения, лежащие в основе цифровой революции, принесли с собой беспрецедентную способность управлять материей на наноуровне. Это позволило нам разработать специализированные аналоговые компьютеры, называемые «квантовыми симуляторами», которые решают конкретные модели в квантовой физике с помощью используя присущие квантово-механические свойства его наноразмерных компонентов.Хотя мы еще не смогли создать универсальный программируемый квантовый компьютер с достаточной мощностью, чтобы решить все открытые проблемы в физике, теперь мы можем создавать аналоговые устройства на заказ. с квантовыми компонентами, которые могут решать конкретные задачи квантовой физики».
|
|
|
|
Архитектура этих новых квантовых устройств включает в себя гибридные металл-полупроводниковые компоненты, включенные в наноэлектронную схему, разработанную исследователями из Стэнфорда, UCD и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики (расположенной в Стэнфорде). Экспериментальная группа нанотехнологий Стэнфорда под руководством профессора Дэвида Голдхабера-Гордона построила и эксплуатировала устройство, а теорию и моделирование выполнил доктор Митчелл из UCD.
|
|
|
|
Профессор Голдхабер-Гордон, научный сотрудник Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук, сказал: «Мы всегда создаем математические модели, которые, как мы надеемся, отражают суть интересующих нас явлений, но даже если мы верим, что они правы, они часто не могут быть решены за разумное время». С квантовым симулятором «у нас есть такие ручки, которых раньше ни у кого не было», — сказал профессор Голдхабер-Гордон.
|
|
|
|
Основная идея этих аналоговых устройств, по словам Гольдхабера-Гордона, состоит в создании своего рода аппаратной аналогии проблемы, которую вы хотите решить, а не в написании некоторого компьютерного кода для программируемого цифрового компьютера. Например, скажите, что вы хотели предсказать движение планет на ночном небе и время затмений. Вы могли бы сделать это, построив механическую модель Солнечной системы, где кто-то крутит рукоятку, а вращающиеся взаимосвязанные шестерни представляют движение Луны и планет.
|
|
|
|
На самом деле такой механизм был обнаружен при кораблекрушении древнего корабля у берегов греческого острова возрастом более 2000 лет. Это устройство можно рассматривать как очень ранний аналоговый компьютер. Чтобы не обижаться, аналоговые машины использовались даже в конце 20-го века для математических вычислений, которые были слишком сложны для самых передовых цифровых компьютеров того времени. Но для решения проблем квантовой физики устройства должны включать квантовые компоненты. Новая архитектура Quantum Simulator включает в себя электронные схемы с наноразмерными компонентами, свойства которых регулируются законами квантовой механики. Важно отметить, что можно изготовить много таких компонентов, каждый из которых ведет себя по существу идентично другим.
|
|
|
|
Это имеет решающее значение для аналогового моделирования квантовых материалов, где каждый из электронных компонентов в схеме является прокси для моделируемого атома и ведет себя как «искусственный атом». то же самое должны делать и различные электронные компоненты аналогового компьютера. Таким образом, новый дизайн предлагает уникальный путь для масштабирования технологии от отдельных устройств до крупных сетей, способных моделировать объемную квантовую материю. Кроме того, исследователи показали, что в таких устройствах можно создавать новые микроскопические квантовые взаимодействия. Работа является шагом на пути к разработке нового поколения масштабируемых твердотельных аналоговых квантовых компьютеров.
|
|
|
|
Чтобы продемонстрировать мощь аналоговых квантовых вычислений с помощью своей новой платформы Quantum Simulator, исследователи сначала изучили простую схему, состоящую из двух соединенных вместе квантовых компонентов. Устройство моделирует модель двух атомов, связанных своеобразным квантовым взаимодействием. Настраивая электрические напряжения, исследователи смогли создать новое состояние вещества, в котором электроны, по-видимому, имеют только 1/3 часть своего обычного электрического заряда — так называемые «парафермионы Z3». Эти неуловимые состояния были предложены в качестве основы для будущих топологических квантовых вычислений, но никогда прежде не создавались в лаборатории в электронном устройстве. «Увеличив масштаб квантового симулятора с двух до множества наноразмерных компонентов, мы надеемся, что сможем моделировать гораздо более сложные системы, с которыми современные компьютеры не справляются», — сказал доктор Митчелл. «Это может стать первым шагом к окончательному разгадыванию некоторых из самых загадочных тайн нашей квантовой вселенной».
|
|
|
|
Источник
|
