Kvantinių kompiuterių stabdį mokslininkai sumažino daugiau kaip tris kartus: proveržis pasiektas lustu

Sekite TechNaujienos Google

JAV Kornelio universiteto inžinieriai pademonstravo būdą, kuris gali sumažinti vieną svarbių kvantinių kompiuterių darbo delsų. Lapkričio 12 d. universitetas paskelbė, kad į mikroschemą integruoti šviesos kanalai leido įstrigusį kalcio joną atvėsinti iki labai žemos judėjimo energijos per maždaug 150 mikrosekundžių. Įprasto bandymo rezultatas buvo apie 500 mikrosekundžių. Tai daugiau kaip triskart trumpesnis konkretus aušinimo etapas, nors nereiškia, kad visas kvantinis kompiuteris automatiškai veiks tris kartus sparčiau.

Daugelis kvantinių procesorių tipų veikia itin jautriomis fizikinėmis sąlygomis. Viena kryptis – elektromagnetiniuose spąstuose laikomi elektringi atomai, arba jonai. Jų kvantinė būsena gali būti tiksliai valdoma lazeriais, tačiau net maži mechaniniai svyravimai trukdo patikimai atlikti skaičiavimus. Prieš tam tikras operacijas jonus būtina atvėsinti, kad jie judėtų kuo mažiau. Tokie paruošimo etapai gali užimti didelę dalį viso skaičiavimo laiko.

Kaip ant lusto veikiantys lazeriai pakeitė bandymą

Kornelio komanda vietoj sudėtingos išorinės optikos panaudojo mikrostruktūruotą lustą, kuris nukreipia lazerio šviesą link įstrigusio jono. Dvi priešingomis kryptimis judančios šviesos bangos suformuoja vadinamąją stovinčiąją bangą – stabilią didžiausio ir mažiausio intensyvumo sričių seką. Joną tiksliai padėjus tinkamoje vietoje, galima efektyviai šalinti jo judėjimo energiją, kartu slopinant nepageidaujamus šviesos sukeltus procesus.

Tyrėjai panaudojo metodą, vadinamą elektromagnetiškai indukuoto skaidrumo aušinimu. Jis nėra visiškai naujas fizikos principas, tačiau šįkart buvo pritaikytas kompaktiškai integruotai optinei sistemai, kuri vienu metu paveikė tris skirtingus jono judėjimo režimus. Tai svarbu, nes atomas gali svyruoti skirtingomis kryptimis bei dažniais, todėl įprastai reikia kelių atskirų paruošimo žingsnių. Bandymas apėmė maždaug 5 megahercų dažnių intervalą.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 5 val

Prancūzija kuria tarptautinį karinio DI centrą: sieks NATO pripažinimo ir mažesnės priklausomybės nuo JAV

5 min. skaitymo • prieš 6 val

JAV tankus „Abrams“ saugos DI dronai: sistema atpažins daugiau kaip 150 sprogstamųjų grėsmių

4 min. skaitymo • prieš 6 val

Britų komandosai gauna DI sistemą karo laukui: už milijonus sujungs dronus, jutiklius ir pajėgas

Visi naujausi straipsniai →

Žurnale „PRX Quantum“ paskelbtame tyrime taip pat aprašomas aušinimas žemiau įprastos Doplerio ribos. Tokia riba siejama su tuo, kiek stipriai dalelę galima atvėsinti naudojant tam tikras lazerines procedūras. Nauji eksperimentai rodo, kad tinkamai formuojant šviesos lauką galima sumažinti nereikalingą energiją efektyviau. Tai sudėtinga laboratorinė kontrolė, o ne tiesiog įprasto procesoriaus temperatūros sumažinimas.

Kodėl šis rezultatas reikšmingas ateities procesoriams

Eksperimentas atliktas su vienu jonu, todėl dar neįrodo, kad metodas be pakeitimų veiks didelėje tūkstančių kubitų sistemoje. Tačiau integruota fotonika gali padėti mažinti optinės įrangos dydį ir sudėtingumą, kai viename aparate reikia valdyti daug skirtingų jonų. Tokiu atveju svarbūs kiekvienos šviesos bangos dažnis, intensyvumas ir stabilumas. Sėkminga technologijos plėtra galėtų sumažinti ne tik paruošimo laiką, bet ir praktinius sistemos priežiūros sunkumus.

Kornelio tyrėjai bendradarbiavo su Šveicarijos ETH Ciuricho mokslininkais, o dalis lustų gamybos vyko Nyderlanduose. Tai pavyzdys, kaip pažangiems kvantiniams eksperimentams reikia tarptautinės mokslinės ir pramoninės infrastruktūros. Naujas bandymas turi ir europinę dimensiją, nors negalima teigti, kad konkretus lustas jau gaminamas serijiniu būdu ar bus parduodamas kaip baigtas komercinis kvantinis procesorius.

TechNaujienos.lt yra pristatę IBM 520 kubitų planą, apžvelgę pagrindinius kvantinių kompiuterių apribojimus ir rašę apie IBM bei AMD hibridinę sistemą. Kornelio eksperimentas papildo šias istorijas kitu, bet ne mažiau svarbiu aspektu – kaip sumažinti laiką, reikalingą kvantinėms operacijoms parengti.

Kvantinių sistemų kūrėjams svarbu suprasti skirtumą tarp vieno elemento operacijos ir viso skaičiavimo proceso. Net jei vienas aušinimo etapas tapo daugiau kaip tris kartus trumpesnis, galutinį sistemos našumą gali riboti jonų valdymas, klaidų taisymas, skaitymo procedūros ir sąsaja su klasikiniu kompiuteriu. Tyrimo autoriai pateikia konkretų fizikinį rezultatą, tačiau neteigia, kad jau pastatė tris kartus spartesnį universalų kvantinį procesorių. Tokias naujoves reikia tikrinti pagal pakartojamus rodiklius, o ne vien pagal įspūdingą vieno parametro sumažėjimą.

Dar vienas pranašumas, kurį tyrėjai siekia išnaudoti, yra optinių komponentų stabilumas. Kai šviesa keliauja per mikroschemoje suformuotus kanalus, galima tiksliau kontroliuoti jos maršrutą, užuot rėmusis didelėmis laboratorijos optinėmis konstrukcijomis. Vis dėlto lazerių šaltiniai, aušinimo įranga ir sudėtingi valdymo komponentai neišnyksta. Kad technologija būtų pritaikyta didesnei kvantinei sistemai, reikės išsiaiškinti, kaip šiuos kanalus patikimai paskirstyti daugybei jonų ir išvengti papildomo triukšmo.

Nors mikrosekundės kasdieniame gyvenime atrodo menkas skirtumas, dideliuose skaičiavimuose pasikartojantis paruošimo etapas gali tapti reikšminga spartos kliūtimi. Tai nereiškia, kad kitąmet turėsime universalius kvantinius nešiojamuosius kompiuterius, tačiau parodo, kaip kelių fizikos ir inžinerijos disciplinų sintezė pamažu šalina realius technologinius apribojimus. Ateities tyrimuose teks patikrinti kelių jonų veikimą ir suderinamumą su sudėtingesniais algoritmais.