Физики собрали модуль для программирования квантовых алгоритмов

Квантовые компьютеры рассматриваются как высокопроизводительная альтернатива традиционным, рабочие прототипы таких машин создаются многими исследовательскими группами. Одним из главных ограничений прототипов является их высокая специфичность: нередко они рассчитаны на выполнение одного алгоритма или на фиксированные модели взаимодействия между квантовыми составляющими. Шагом вперед станет создание квантового компьютера, который в состоянии запускать произвольные алгоритмы.

В новом исследовании ученые разработали модель квантового компьютера на пяти кубитах из захваченных ионов. Контроль последних осуществлялся параллельно с помощью лазерных лучей. Для реализации алгоритма кубиты сперва приводились в нужное состояние путем оптической накачки, затем тот же пучок лазера анализировал результат для каждого иона. Одновременно другой, изолированный луч освещал кубиты для активации квантовых логических вентилей.

Квантовые логические вентили выполняли роль коммутаторов и транзисторов. Модель QuICS предполагает, что освещение лазером, приводя ионы в движение, интегрирует его с информацией кубита — это позволяет двум любым ионам модуля взаимодействовать между собой через электрическое отталкивание. При этом манипуляции с лазерными импульсами обеспечивают реконфигурацию взаимодействия между кубитами извне.

В рамках тестирования авторы выполнили на созданном модуле три разных квантовых алгоритма: алгоритм Дойча — Йожи, алгоритм Бернштейна — Вазирани и квантовое преобразование Фурье (QFT). Результаты показали, что два первых алгоритма успешно осуществлялись модулем на протяжении 90% времени, эффективное выполнение QFT было увеличено до 70%. Динамику связали с остаточными ошибками в квантовых логических вентилях и систематическими ошибками, которые накапливаются по мере вычисления. Подчеркивается, что QFT требует задействования всех пар ионов и, вероятно, является одним из самых сложных квантовых алгоритмов.

Описанный подход позволяет повысить число кубитов с пяти до ста. Отдельные модули также можно объединить путем физического перемещения ионов или использования фотонов — для передачи информации между ними. Отличительной чертой разработки стала возможность программирования квантовых алгоритмов, которые прежде никогда не запускались. В ближайшее время исследователи намерены повторить испытания модуля на большем количестве кубитов и представить отчет о коррекции обнаруженных ошибок.