Какими бы мощными ни оказались квантовые компьютеры , квантовая физика может затруднить выполнение машинами квантовых версий самых основных вычислительных операций. Теперь ученые в Китае создали более практичную квантовую версию простой операции И, которая может помочь квантовым вычислениям достичь успешных приложений в ближайшем будущем.

Обычная электроника в настоящее время опирается на транзисторы , которые включаются или выключаются, чтобы символизировать данные как единицы и нули. Они соединяют транзисторы вместе для создания устройств, известных как логические элементы , которые реализуют логические операции, такие как И, ИЛИ и НЕ. Логические элементы являются строительными блоками всех цифровых схем.

Напротив, квантовые компьютеры зависят от компонентов, известных как квантовые биты или «кубиты». Они могут существовать в квантовом состоянии, известном как суперпозиция, в котором они, по существу, одновременно равны и 1, и 0. Квантовые компьютеры работают, запуская квантовые алгоритмы, которые описывают последовательности элементарных операций, называемых квантовыми логическими вентилями , применяемых к набору кубитов.

«Наша работа поможет сократить разрыв между наиболее ожидаемыми приложениями ближайшего будущего и существующими шумными устройствами».
— Фэй Янь, Южный университет науки и технологий, Шэньчжэнь, Китай.

По сути, суперпозиция позволяет каждому кубиту выполнять два вычисления одновременно. Чем больше кубитов имеет квантовый компьютер, тем больше его вычислительная мощность может расти в геометрической прогрессии. При достаточном количестве кубитов квантовый компьютер теоретически может значительно превзойти все классические компьютеры в ряде задач. Например, на квантовых компьютерах алгоритм Шора может взломать современную криптографию , а алгоритм Гровера полезен для поиска в базах данных с иногда ошеломляющей скоростью.

Однако квантовые компьютеры сталкиваются с физическим ограничением: все квантовые операции должны быть обратимыми , чтобы работать. Другими словами, квантовый компьютер может выполнять операцию только в том случае, если он также может выполнять противоположную операцию, возвращающую его в исходное состояние. (Обратимость необходима до тех пор, пока квантовое вычисление не будет запущено и его результаты не будут измерены .)

В повседневной жизни многие действия обратимы — например, вы можете и завязать, и развязать шнурки. Другие необратимы — например, вы можете сварить яйцо, но не разварить его.

Точно так же ряд логических операций является обратимым — вы можете применить операцию НЕ к переменной, а затем применить ее снова, чтобы вернуть ее в исходное состояние. Другие вообще необратимы — вы можете сложить 2 и 2 вместе, чтобы получить результат 4, математическую версию операции И, но вы не можете обратить операцию и узнать, что результат 4 начинается как 2 и 2, если вы не знаете, что в была хотя бы одна из исходных переменных.

Логический элемент И является фундаментальным компонентом как классических, так и квантовых алгоритмов. Однако требование обратимости в квантовых вычислениях усложняет реализацию. Одним из обходных путей является использование дополнительного или « вспомогательного » кубита для каждого вентиля И, в котором хранятся данные, необходимые для обратной операции.

Тем не менее, квантовые компьютеры в настоящее время представляют собой шумные квантовые платформы среднего масштаба (NISQ) , что означает, что их число кубитов не превышает нескольких сотен, и они также подвержены ошибкам. Учитывая примитивное состояние квантовых вычислений прямо сейчас, оказалось бы «чрезвычайно обременительным проектирование и создание оборудования для размещения дополнительных вспомогательных кубитов на уже перегруженном процессоре», — говорит соавтор исследования Фей Ян, квантовый физик из Южного университета науки и технологии в Шэньчжэнь, Китай.

«Наша методика дает преимущество масштабирования. Чем больше кубитов задействовано, тем более экономичной будет наша методика по сравнению с традиционной».
— Фэй Ян

Теперь Ян и его коллеги сконструировали новую квантовую версию логического элемента И, которая устраняет необходимость в вспомогательных кубитах. По их словам, избавившись от этих накладных расходов, их новая стратегия может сделать квантовые вычисления более эффективными и масштабируемыми, чем когда-либо.

«Наша работа поможет сократить разрыв между наиболее ожидаемыми в ближайшем будущем приложениями и существующими шумными устройствами», — говорит Ян. «Мы надеемся, что квантовые функции И функциональные возможности будут добавлены к квантовым программам на других машинах, таких как квантовое облако IBM , и с ними будет играть больше людей».

Вместо использования вспомогательных кубитов новый квантовый логический элемент И основан на том факте, что кубиты часто могут кодировать больше, чем просто нули и единицы . В новом исследовании кубиты кодируют три состояния. Это дополнительное состояние временно содержит данные, необходимые для выполнения операции И.

«Мы не используем вспомогательные кубиты, — говорит Ян. «Вместо этого мы используем вспомогательные государства».

В новом исследовании ученые реализовали квантовые вентили И на сверхпроводящем квантовом процессоре с архитектурой с настраиваемой связью. Google также использует эту архитектуру в своих квантовых компьютерах, а IBM планирует начать использовать ее в 2023 году.

«Мы считаем, что наша схема хорошо подходит для систем сверхпроводящих кубитов, где вспомогательные состояния многочисленны и легкодоступны», — говорит Ян.

В экспериментах исследователи использовали свои квантовые вентили И, чтобы построить вентили Тоффоли , с помощью которых квантовые компьютеры могут реализовать любую классическую схему. Вентили Тоффоли являются ключевыми элементами многих приложений квантовых вычислений, таких как алгоритмы Шора и Гровера и схемы квантовой коррекции ошибок .

Кроме того, с помощью шести кубитов исследователи могли запускать алгоритм Гровера в базе данных, содержащей до 64 записей. «Насколько нам известно, предыдущие демонстрации поиска Гровера в любой системе ограничивались 16 записями, — говорит Ян. Это подчеркивает, как операция квантового И может помочь масштабировать квантовые вычисления, добавляет он.

В целом, «мы действительно хотим подчеркнуть, что наша техника дает преимущество масштабирования», — говорит Ян. «Чем больше кубитов задействовано, тем более экономичной будет наша техника по сравнению с традиционной».

Хотя эти эксперименты проводились со сверхпроводящими кубитами, Ян отмечает, что их квантовые вентили И могут быть реализованы с другими платформами квантовых вычислений, «такими как захваченные ионы и полупроводниковые кубиты , путем использования соответствующих вспомогательных уровней».