Гонка за создание первого полностью функционального квантового компьютера не прекращается. Инженеры из Австралийского университета Нового Южного Уэльса внесли важный вклад в эту работу.
Квантовые биты
В основе концепции квантового компьютера лежит идея замены битов квантовыми аналогами — кубитами. Первые работают как простые переключатели, находящиеся всегда в одном из двух положений: включенном или выключенном и обознаются нулем или единицей. Но в квантовой реальности атом или частица могут находиться в нескольких состояниях одновременно (суперпозиция), по крайней мере, до тех пор, пока они изолированы от окружающей среды. Это открывает путь к невероятным возможностям.
Проблема в том, что говорить о полезности одного кубита сложно. Истинный потенциал проекта раскроется только тогда, когда будет задействована система частиц, находящаяся в связке между собой. Например, 2 связанных кубита могут одновременно хранить четыре комбинации (00, 01, 11, 10), 3 кубита — восемь, 4 кубита — шестнадцать и так далее.
В некотором смысле, квантовый компьютер ведет себя как множество машин, выполняющих вычисления параллельно. Поэтому (по крайней мере для некоторых операций) кубиты обеспечат непревзойденную производительность.
Переосмысление архитектуры
К сожалению для инженеров, как суперпозиция, так и состояние запутанности — явления чрезвычайно деликатные. До сих пор они манипулировали частицами, заключенными в магнитном поле, пропуская ток через встроенные электрические провода. Проблема в том, что сила поля уменьшается с расстоянием, поэтому каждое увеличение количества кубитов означает одновременное увеличение количества проводов, а также необходимого пространства и энергии. Также не стоит забывать, что для сохранения эффективности системы требуется очень низкая температура -270°C.
Ученые предполагают изменить существующую архитектуру. Вместо того чтобы помещать тысячи проводов в один чип, они изобрели новый способ доставки магнитных полей микроволнового диапазона ко всей системе и предложили генерировать необходимое магнитное поле «сверху» чипа. Таким образом, можно будет передавать до 4 млн кубитов. Идея не совсем новая, но за долгие годы никто так и не попытался ее реализовать.
Ключевой кристалл
Элементом, который поможет воплотить идею ученых в жизнь, оказался диэлектрический резонатор, по сути представляющий собой нечто вроде кристаллической призмы. Он уменьшает длину электромагнитной волны и облегчает ее распределение по всей квантовой системе. Благодаря этому методу исследователям не потребуется много энергии, чтобы получить сильное, равномерно распределенное по всему чипу поле. Этот шаг преодолеет главное препятствие на пути создания полноценного квантового компьютера, который сможет работать не с десятками, а с миллионами и даже миллиардами кубитов.