Praktyczne próby wykorzystania kwantowej informatyki

Zespół naukowców z Google, Uniwersytetu Kraju Basków, University of California i Ikerbasque - Baskijskiej Fundacji Nauki, opracował sposób na połączenie dwóch wiodących pomysłów na stworzenie komputera kwantowego w jednej maszynie.

Naukowcy naprawdę chcieliby dowiedzieć się, jak zbudować prawdziwy komputer kwantowy, który pozwoli na rozwiązywanie problemów nierozwiązywalnych dla maszyn konwencjonalnych. Ale niestety, idea takiego komputera funkcjonuje głównie na gruncie teoretycznym.

Aby przenieść niektóre z pomysłów z teorii do rzeczywistości, naukowcy zbudowali rzeczywistą maszynę – jej stworzenie oparte jest na dwóch najważniejszych podejściach do budowy komputera kwantowego.

Pierwsze podejście opiera się na modelu bram, w którym qubity są połączone ze sobą w celu utworzenia prymitywnego obwodu symulującego logiczną bramkę kwantową; każda bramka logiczna jest w stanie wykonać jeden konkretny rodzaj działania. Każda z bramek logicznych musi być zaprogramowana z wyprzedzeniem do wykonywania owych zadań.

Przy drugim podejściu qubity nie oddziałują ze sobą, lecz są utrzymywane w stanie podstawowym, gdzie następnie mogą ewoluować do systemu zdolnego do rozwiązywania danego problemu. Rezultatem jest tak zwana: maszyna adiabatyczna. Niestety, w tym podejściu nie ma możliwości, iż kiedykolwiek będzie możliwe korzystanie z pełnej mocy obliczeniowej oferowanej przez informatykę kwantową.

Stosując nowe podejście: naukowcy próbowali wykorzystać pozytywne cechy obu podejść tworząc maszynę,  będącą standardowym komputerem kwantowym, a następnie użyli jej do symulacji adiabatycznej maszyny. Wykorzystując 9 qubitów i ponad 1000 bramek logicznych, uzyskali efekt pozwalający na komunikację qubitów, które mogą być włączane i wyłączane w razie potrzeby.

Mechanika kwantowa może przyczynić się do rozwiązywania złożonych problemów w fizyce i chemii, o ile jest możliwe zaprogramowanie jej w urządzeniu fizycznym. W adiabatycznej informatyce kwantowej system powoli ewoluuje od stanu prostej funkcji Hamiltona do końcowego Hamiltonianu kodującego problem. Atrakcyjność tego podejścia polega na połączeniu prostoty i ogólności; w zasadzie każdy problem może być kodowany. W praktyce wnioski są ograniczone przez ograniczoną łączność, dostępność interakcji i zakłócenia.

Bramka Fredkina

Naukowcy z Uniwersytetu Griffith i University of Queensland rozwiązali jedno z kluczowych wyzwań dotyczących komputerów kwantowych poprzez uproszczenie skomplikowanej kwantowej operacji logicznej..

Urokiem komputerów kwantowych jest niezrównana moc obliczeniowa.

Podobnie jak w naszym codziennym komputerze: mózgu, komputer kwantowy składa się z łańcuchów bramek logicznych, a bramki te wykorzystują zjawiska kwantowe.

Główną przeszkodą w rzeczywistym stworzeniu komputera kwantowego jest  minimalizacja ilości zasobów potrzebnych do skutecznego wdrożenia układów przetwarzania.

Podobnie do budowy ogromnej ściany, składającej się wielu małych cegieł, duże układy kwantowe wymagają bardzo wielu bramek logicznych, aby funkcjonować. Jednakże, jeśli są stosowane większe cegły na tej samej ścianie, to może być ona zbudowana z mniejszej ilości cegieł.

Obecnie nawet małe i średnie kwantowe układy komputerowe nie mogą być wytwarzane ze względu na wymóg integracji wielu bramek.

W eksperymencie wykorzystano tak zwaną bramkę Fredkina – jest to bramka, w której dwa qubity są zamieniane w zależności od wartości trzeciego.

Zazwyczaj bramka Fredkina wymaga wdrożenia obwodu pięciu operacji logicznych. Zespół badawczy wykorzystał kwantowe splątanie fotonów cząstek światła do wykonania  bezpośrednio kontrolowanej operacji zamiany.

Istnieją kwantowe algorytmy obliczeniowe, takie jak algorytm Shor, odpowiedzialne za znalezienie liczb pierwszych, które wymagają operacji kontrolowanej zamiany.

Bramka kwantowa Fredkina może być również stosowana do przeprowadzenia bezpośredniego porównania z dwoma zestawami qubitów (bitów kwantowych) w celu określenia, czy są one takie same czy nie. Jest to nie tylko przydatne w informatyce, ale jest istotną cechą niektórych bezpiecznych protokołów komunikacji kwantowej, gdzie celem jest sprawdzenie, czy dwa ciągi lub podpisy cyfrowe są takie same.

Profesor Geoff Pryde stwierdził:

"To, co jest ekscytujące w naszym systemie to to, że nie ogranicza się tylko do kontrolowania, czy qubity są zamienione, ale mogą być stosowany do wielu różnych operacji związanych ze sposobem kontrolowania większych obwodów. To może wyzwolić aplikacje, które do tej pory były poza zasięgiem”.