Fizycy opracowują algorytm umożliwiający wydajniejsze obliczenia kwantowe

Obliczenia kwantowe to jedno z najpotężniejszych narzędzi dostępnych społeczeństwu, posiadające potencjał rozwiązania wielu niezwykle złożonych problemów, z którymi klasyczne komputery nie są w stanie sobie poradzić. Aby jednak uzyskać najpotężniejsze komputery kwantowe, konieczne jest zwiększenie wydajności.

Fizycy kwantowi z Uniwersytetu w Sussex zajmują się tym problemem wydajności. Stworzyli nowy algorytm, który może zwiększyć szybkość obliczeń w obecnie opracowywanych komputerach kwantowych. Algorytm zapewnia nowy sposób kierowania jonów wokół komputera kwantowego, co zwiększa efektywność obliczeń. 

„Algorytm routingu” został szczegółowo opisany w artykule badawczym zatytułowanym „Efektywne routing kubitów dla globalnie połączonego komputera kwantowego z uwięzionymi jonami”, który ukazał się w czasopiśmie Zaawansowane technologie kwantowe.

Zespołem kierował profesor Winfried Hensinger, w skład którego wchodzili Mark Webber, dr Steven Haerbert i dr Sebastian Weidt. 

Hensinger i Webber niedawno założyli własną firmę Universal Quantum. Celem projektu jest zbudowanie pierwszego w historii komputera kwantowego na dużą skalę zainteresowanie wyrazili różni inwestorzy wysokiego szczebla z branży technologicznej. 

Algorytm routingu

Algorytm routingu działa poprzez regulację ruchu w komputerze kwantowym, umożliwiając fizyczny transport quibitów na duże odległości. Dzięki temu quibity mogą wchodzić w interakcje z innymi, a dane mogą sprawnie przemieszczać się w komputerze kwantowym bez żadnych zacięć. 

Jednym z podstawowych aspektów komputerów kwantowych są bity kwantowe, czyli quibity, które służą do przetwarzania informacji. Zespół najpierw przeanalizował komputer kwantowy z „uwięzionymi jonami”, który składa się z krzemowych mikrochipów z naładowanymi atomami. Te naładowane atomy, czyli jony, lewitują nad powierzchnią mikrochipa i służą do przechowywania danych. Każdy jon jest w stanie pomieścić jeden kwantowy bit informacji.

Aby wykonać obliczenia na tego typu komputerze kwantowym, jony muszą zostać przemieszczone. Moc komputera kwantowego zależy od tego, jak szybko i skutecznie może to nastąpić.

Nadprzewodnictwo a uwięziony jon

W dziedzinie obliczeń kwantowych wykorzystuje się dwa główne urządzenia: urządzenia nadprzewodzące i urządzenia z uwięzionymi jonami. 

Urządzenia nadprzewodzące są używane przez niektóre duże firmy, takie jak IBM i Google, podczas gdy urządzenia z uwięzionymi jonami są używane przez zespół z Uniwersytetu w Sussex i inne firmy. 

Nadprzewodzące komputery kwantowe opierają się na stacjonarnych quibitach i w większości przypadków mogą one oddziaływać tylko z quibitami, które znajdują się tuż obok siebie. Aby obliczenia mogły odbywać się pomiędzy quibitami, które nie znajdują się bezpośrednio obok siebie, konieczna jest komunikacja poprzez łańcuch sąsiadujących quibitów. 

W miarę przemieszczania się informacji z jednego kubitu do drugiego itd., im dłuższy łańcuch, tym bardziej ulega ona uszkodzeniu. Z tego powodu zespół uważa, że ​​nadprzewodzące komputery kwantowe mają ograniczoną moc obliczeniową. 

Ze względu na te ograniczenia zespół zdecydował się opracować nowy algorytm routingu dla architektury uwięzionych jonów. Obecną metodą pomiaru mocy obliczeniowej krótkoterminowych komputerów kwantowych jest „Objętość kwantowa”, którą zespół mógł wykorzystać do porównania swojego modelu z modelami nadprzewodzącymi. 

Zespół odkrył, że opracowany przez nich model uwięzionych jonów był bardziej spójny i działał lepiej niż model kubitu nadprzewodzącego, a było to spowodowane zastosowanym algorytmem umożliwiającym kubitom bezpośrednią interakcję z większą liczbą kubitów. Metoda ta skutkuje wyższą oczekiwaną mocą obliczeniową. 

„Możemy teraz przewidzieć moc obliczeniową konstruowanych przez nas komputerów kwantowych. Nasze badanie wykazało fundamentalną zaletę urządzeń z uwięzionymi jonami, a nowy algorytm routingu pozwoli nam zmaksymalizować wydajność wczesnych komputerów kwantowych” – powiedział Webber. 

Według Hensingera: „W istocie ta praca jest kolejnym krokiem w kierunku budowy praktycznych komputerów kwantowych, które będą w stanie rozwiązywać problemy świata rzeczywistego”.