Дивлячись на сучасні цифрові комп’ютери може здаватися, що їм під силу будь-яка задача. Але у світі квантових обчислень цифрові комп’ютери виявляються безсилими. Квантові загадки фізики розгадують аналогові комп’ютери, які є однією з трьох основних категорій квантових комп’ютерів.
Дослідники зі Стенфордського університету та Університетського коледжу Дубліна (UCD) розробили новий підхід до побудови цих машин, створивши індивідуальні квантові комп’ютери з квантовими компонентами, призначеними для вирішення конкретних завдань. Це не машини розміром з кімнату; натомість вони складаються з гібридних металів-напівпровідників на наноелектронній схемі. По суті, це комп’ютери, розміри яких вимірюються в мікронах, а не в метрах, і їх називають «квантовими симуляторами». Нова стаття, опублікована в Nature Physics, детально описує такі симулятори.
«Ми завжди створюємо математичні моделі, які, як ми сподіваємося, охоплять суть явищ, які нас цікавлять, — сказав у своїй заяві дослідник зі Стенфордського університету Голдхабер-Гордон, — але навіть якщо ми віримо, що вони правильні, часто їх не вдається розв’язати в розумний проміжок часу. [З квантовим симулятором] у нас є такі ручки для обертання, яких ніхто раніше не мав».
Чому аналоговий?
Основна ідея цих аналогових пристроїв, сказав Голдхабер-Гордон, полягає в тому, щоб побудувати свого роду апаратну аналогію до проблеми, яку ви хочете вирішити, а не писати комп’ютерний код для програмованого цифрового комп’ютера.
Наприклад, скажіть, що ви хотіли передбачити рух планет на нічному небі та час затемнень. Ви можете зробити це, побудувавши механічну модель Сонячної системи, де хтось повертає рукоятку, а обертові з’єднані шестерні представляють рух Місяця та планет.
Насправді такий механізм був виявлений у стародавньому кораблі, що затонув біля узбережжя грецького острова, якому понад 2000 років. Цей пристрій можна розглядати як дуже ранній аналоговий комп’ютер.
Аналогові машини використовувалися навіть наприкінці 20 століття для математичних обчислень, які були надто складними для найдосконаліших цифрових комп’ютерів того часу.
За словами Голдхабера-Гордона, створениі його командою аналогові пристрої створюють «апаратну аналогію» для вирішення проблем у квантовій фізиці. Щоб перевірити симулятор, дослідники використали просту схему, з’єднану разом із двома квантовими компонентами. Налаштувавши схему, вчені створили стан матерії під назвою «параферміони Z3», коли електрони мають лише одну третину свого звичайного заряду — уперше такий стан було створено на електронному пристрої в лабораторії.
Ідея полягає в тому, щоб розширити цей симулятор для вирішення більш складних питань у квантових обчисленнях.
«Деякі проблеми просто надто складні, щоб вирішувати їх навіть найшвидшими цифровими класичними комп’ютерами, — сказав у заяві Ендрю Мітчелл, директор Центру квантової техніки, науки та технологій UCD (який був створений лише у 2021 році). – Точне моделювання складних квантових матеріалів, таких як високотемпературні надпровідники, є дійсно важливим прикладом».
На даний момент надпровідні матеріали, які живлять високошвидкісні поїзди та апарати МРТ, працюють лише при надзвичайно низьких температурах. Використання квантових симуляторів для виявлення надпровідних матеріалів при кімнатній температурі змінило б правила гри для більш широкого впровадження технології. Це лише одне з актуальних питань, які може допомогти вирішити наступне покоління квантових симуляторів.
За матеріалами: Popular Mechanics
