Специалисты из НИТУ МИСИС, МФТИ, «Сколтеха», Российского квантового центра, МГУ и МИАН имени В.А. Стеклова разработали идею новой архитектуры для квантовых вычислений. В этой концепции особые атомы-передатчики перемещаются между вычислительными кубитами, обеспечивая их связь независимо от расстояния. Такой подход прокладывает путь к созданию масштабируемых квантовых процессоров, использующих ридберговские атомы. Об этом CNews проинформировали представители МИСИС.
Нейтральные атомы считаются одной из самых многообещающих платформ для создания кубитов, и интерес к этой технологии неуклонно растёт: к примеру, недавно исследования в этой области запустила компания Google Quantum AI. Чтобы обеспечить взаимодействие кубитов, атомы временно переводятся в высоковозбуждённые (ридберговские) состояния. Это значительно усиливает их взаимосвязь, однако только на коротких дистанциях. Два удалённых кубита не могут напрямую обмениваться данными, поэтому для проведения операции между ними приходится задействовать цепочку промежуточных атомов. Каждая такая операция сопровождается определённой вероятностью ошибки, и чем длиннее цепочка — а она увеличивается пропорционально размеру процессора — тем ниже конечная точность вычислений. Вероятность успешного выполнения логической операции экспоненциально снижается с ростом числа кубитов.
«Текущие квантовые процессоры на нейтральных атомах похожи на город, где общаться можно только с ближайшим соседом. Чтобы передать сообщение на другой конец города, его придётся пересылать от человека к человеку — и каждый раз смысл будет немного теряться. Мы предложили схему, где количество операций остаётся постоянным и не зависит от размера системы, то есть информация минует лишние промежуточные звенья и достигает цели в неизменном виде», — отметил к.ф.-м.н. Иван Дудинец, научный сотрудник Российского квантового центра.
Физики разделили кубиты на две категории. Вычислительные кубиты фиксируются в статическом массиве оптических пинцетов и не перемещаются во время вычислений. Кубиты-передатчики — это специальные подвижные атомы, которые доставляют квантовую информацию между любыми двумя вычислительными кубитами: атом-передатчик приближается к первому кубиту, «забирает» квантовое состояние, перемещается ко второму и выполняет операцию. После этого передатчик либо утилизируется, либо используется повторно. В рамках концепции предложено пять архитектур, различающихся способом перемещения передатчиков: конвейерные схемы с движущимися оптическими ловушками, схема свободного полёта атома с последующим захватом, а также гибридные решения с маршрутизацией и квантовой телепортацией. Подробности исследования представлены в ведущем международном научном журнале Physical Review A.
«Все пять архитектур решают одну и ту же задачу. Отличие заключается в способе перемещения кубита-передатчика. В конвейерных решениях атом передвигается внутри подвижной оптической ловушки, в схемах свободного полета он выпускается подобно снаряду и взаимодействует с кубитами на ходу, а гибридные варианты с квантовой телепортацией сокращают количество операций благодаря измерению кубита непосредственно во время вычислений. На данный момент наиболее осуществимой является двунаправленная конвейерная схема — все нужные компоненты уже прошли экспериментальную проверку, но она требует наибольшего числа операций и поэтому особенно зависит от точности физических вентилей. Мы считаем, что у нее большой потенциал для экспериментального воплощения», — заявил кандидат физико-математических наук Алексей Федоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС.
Исследование выполнено при поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках Дорожной карты «Квантовые вычисления» (соглашение № 868-1.3-15/15-2021 от 05.10.2021). Работы проводились в НИТУ МИСИС по стратегическому технологическому проекту «Квантовый интернет» в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030».
