Глядя на современные цифровые компьютеры может показаться, что им по силам любая задача. Но в мире квантовых вычислений цифровые компьютеры оказываются бессильными. Квантовые загадки физики разгадывают аналоговые компьютеры, являющиеся одной из трех основных категорий квантовых компьютеров.
Исследователи из Стэнфордского университета и Университетского колледжа Дублина (UCD) разработали новый подход к постройке этих машин, создав индивидуальные квантовые компьютеры с квантовыми компонентами, предназначенными для решения конкретных задач. Это не машины размером с комнату; они состоят из гибридных металлов-полупроводников на наноэлектронной схеме. По сути это компьютеры, размеры которых измеряются в микронах, а не в метрах, и их называют «квантовыми симуляторами». Новая статья, опубликованная в Nature Physics, подробно описывает следующие симуляторы.
«Мы всегда создаем математические модели, которые, как мы надеемся, охватят суть интересующих нас явлений, — сказал в своем заявлении исследователь из Стэнфордского университета Голдхабер-Гордон, — но даже если мы верим, что они правильные, часто их не удается развиться. в разумный промежуток времени. [С квантовым симулятором] у нас есть такие ручки для вращения, которых никто раньше не имел».
Почему аналоговый?
Основная идея этих аналоговых устройств, сказал Голдхабер Гордон, состоит в том, чтобы построить своего рода аппаратную аналогию к проблеме, которую вы хотите решить, а не писать компьютерный код для программируемого цифрового компьютера.
К примеру, скажите, что вы хотели предсказать движение планет на ночном небе и время затемнений. Вы можете сделать это, построив механическую модель Солнечной системы, где кто-то поворачивает рукоятку, а соединенные вращающиеся шестерни представляют движение Луны и планет.
На самом деле такой механизм был обнаружен в древнем корабле, который затонул у побережья греческого острова, которому более 2000 лет. Данное устройство можно рассматривать как очень ранний аналоговый компьютер.
Аналоговые машины использовались даже в конце 20 века для математических вычислений, которые были слишком сложны для совершенных цифровых компьютеров того времени.
По словам Голдхабера-Гордона, созданные его командой аналоговые устройства создают «аппаратную аналогию» для решения проблем в квантовой физике. Чтобы проверить симулятор, исследователи использовали простую схему, соединенную вместе с двумя квантовыми компонентами. Настроив схему, ученые создали состояние материи под названием «парафермионы Z3», когда электроны имеют только одну треть своего обычного заряда — впервые такое состояние было создано на электронном устройстве в лаборатории.
Идея состоит в том, чтобы расширить этот симулятор для решения более сложных вопросов квантовых вычислений.
«Некоторые проблемы просто слишком сложны, чтобы решать их даже самыми быстрыми цифровыми классическими компьютерами, — сказал Эндрю Митчелл, директор Центра квантовой техники, науки и технологий UCD (созданный только в 2021 году). – Точное моделирование сложных квантовых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники, является действительно важным примером».
Сейчас сверхпроводящие материалы, питающие высокоскоростные поезда и аппараты МРТ, работают только при очень низких температурах. Использование квантовых симуляторов для обнаружения сверхпроводящих материалов при комнатной температуре изменило правила игры для более широкого внедрения технологии. Это лишь один из актуальных вопросов, которые могут помочь решить следующее поколение квантовых симуляторов.
По материалам: Popular Mechanics
