Китай представил первую в мире оперативную память для квантового компьютера
Физики из Чжэцзянского университета первыми в мире реализовали квантовую оперативную память произвольного доступа (QRAM). Результаты по-настоящему прорывных экспериментов приведены на страницах Nature Physics.
Теоретическая архитектура QRAM была предложена еще в 2008-м, но воплотить ее в жизнь мешали объективные трудности — известно, как легко разрушаются хрупкие квантовые состояния. «Самым трудным оказались не теоретические выкладки, а вопрос, как заставить эту идеальную структуру работать на реальной двумерной решетке чипа», — признается Сян Дэбинь из центра вычислительных технологий будущего Чжэцзянского университета, один из первых авторов работы.
«В итоге мы впервые успешно запустили на сверхпроводящем чипе прототип QRAM, адресующий 4 и 8 бит данных. Это означает, что память способна одновременно обрабатывать несколько входных потоков. Измеренная точность составила 81% и 60% соответственно, что более чем на 40% выше неоптимизированных схем», — говорит Лу Лицян из Колледжа компьютерных наук Чжэцзянского университета, соавтор исследования.
Испытания показали, что система обладает локальной помехоустойчивостью. Это доказывает: даже на существующем, далеком от совершенства квантовом оборудовании можно построить практичную и надежную QRAM, что говорит о широчайших перспективах.
У достижения три слагаемых успеха.
«Скоростная магистраль» для квантовых операций. В традиционных подходах к маршрутизации QRAM разложение логических элементов давало слишком длинная последовательность операций, и в данных успевали накопиться ошибки. Авторы оптимизировали маршрутизацию и сократили глубину квантовой схемы более чем на 30%. Система сигнализации для точной коррекции ошибок. При древовидном запросе в QRAM любое возмущение в любом узле приводит к искажению конечного результата, и зачастую такую ошибку почти невозможно отследить. Ученые остроумно использовали те же самые маршрутные кубиты как локальные датчики для выявления сбоев. «Туннель» квантовой телепортации. Чтобы связать кубиты на «кончиках ветвей» древовидной архитектуры с «корнями» системы, проложили «логические туннели» постоянной глубины между удаленными кубитами. Это решило проблему ограничений, налагаемых физической топологией чипа на сложные алгоритмические структуры, и позволило идеально «уложить» QRAM на двумерную сверхпроводящую подложку.
«Все экспериментальные проверки мы выполнили на собственном высокопроизводительном сверхпроводящем квантовом чипе», — подчеркивает Лу.
Рецензент Nature Physics назвал эту работу «важным рубежом», поскольку долгое время оставались сомнения в том, можно ли вообще реализовать QRAM масштабируемым способом. А между тем это не просто очередное лабораторное «впервые в мире».
«Сегодняшние квантовые алгоритмы прекрасны в теории. Но чтобы они реально заработали на квантовом компьютере, приходится обрабатывать гигантские объемы классических данных. Например, моделирование лекарственных молекул — обращаться к базам данных белков, финансовый анализ рисков — запрашивать историю рыночных котировок. Без QRAM все эти приложения останутся не более чем умозрительными рассуждениями», — объясняет Лу. «Этот прорыв с QRAM вселяет в нас уверенность: универсальный квантовый компьютер — не несбыточная мечта», — резюмирует профессор Инь Цзяньвэй, руководивший исследованием.