Физики из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) продемонстрировали первый универсальный программируемый квантовый процессор, который способен обрабатывать любую программу, удовлетворяющую правилам квантовой механики для двух квантовых битов (кубитов). Разработка может стать частью будущего квантового компьютера, который сможет решать проблемы, неподдающиеся сегодняшним вычислительным системам.

Демонстрация NIST является первым случаем выхода за рамки отдельной задачи для квантового процессора к программируемым вычислениям с более чем одним кубитом. Команда учёных также проанализировала характеристики процессора методами, применяемыми в отношении традиционной электроники, путём создания диаграммы вычислительного цикла и математического определения 15 разных начальных значений вычислительных операций, необходимых для запуска программы. По словам Дэвида Хеннеке (David Hanneke) из NIST, исследователи совершили шаг вперёд к вычислениям со множеством кубитов. Процессор представляет собой покрытые золотом алюминиевые пластины, содержащие микроскопическую электромагнитную ловушку шириной 200 мкм, в которую помещаются четыре иона – по два магния и бериллия. Магний выступает как "охладитель", устраняя вибрации ионной цепочки и сохраняя стабильность устройства. Манипуляции с ионами производятся ультрафиолетовым лазером.

Управляя состояниями бериллиевых кубитов, учёные могут заставить их принять неопределённое значение одновременно 1 и 0, что предоставляет преимущества в обработке информации по сравнению с обычной логикой. Кубиты также возможно привести в "запутанное" состояние – квантовое явление, которое связывает свойства пары, даже если физически они разделены. Среди множества возможных программ для кубитов были выбраны 160, чтобы показать универсальность вычислений. Как говорит Хеннеке, для демонстрации потенциала этого вполне достаточно. Ключевым моментом стало использование генератора случайных чисел, чтобы у всех операций был равный шанс на выполнение. Такой подход избрали во избежание необъективности в ходе тестирования процессора в случае, если некоторые программы выполняются с более точными результатами.

Ионы – один из многообещающих типов кубитов для квантовых компьютеров. Если эти машины будут построены, среди доступных им задач будет, например, взлом наиболее распространённых сегодня криптографических алгоритмов, защищающих информацию в коммуникационных сетях. В добавок к тому, что новый процессор можно включить в состав квантового компьютера, он способен стать миниатюрным симулятором взаимодействий любой квантовой системы, основанной на двух энергетических уровнях, такой как системы на ионах, представляющих уровни 0 и 1. Большие симуляторы смогут объяснить загадку высокотемпературной сверхпроводимости – передачи электричества без сопротивления при температурах, имеющих практический смысл для эффективных устройств хранения данных и других областей.

Исследование, результатом которого стал процессор с двумя кубитами, является продолжением работы с захваченными в ловушку ионами. В последних экспериментах каждая из 160 программ предполагала использование 31 операции с двумя кубитами, 15 из которых задавались в процессе программирования. Логическая операция в данном случае – это определяющее манипуляции с одним или обоими кубитами правило. В обычных компьютерах эти операции являются кодом программного обеспечения, обрабатываемого цифровой электроникой. Программы не производили легко описываемые математические вычисления. Они работали со множеством "вращений" одного кубита и "запутанностью" двух. Каждая программа выполнялась 900 раз с точностью 79%, длительность одного цикла – 37 мс. Любая выполняемая лазером операция имеет точность 90%, но в совокупности получается 79%. Причина – небольшое колебание интенсивности импульсов лазера. Чтобы оценить процессор и качество его вычислений, учёные сравнили измеренные выходные данные программ с идеальными теоретическими результатами. Дополнительная информация получена от 11 программ из 160.

Как отмечается в опубликованной работе, для решения масштабных проблем потребуется намного больше кубитов и логических операций. Кроме того, необходимо снизить количество ошибок. Увеличение точности результатов должно послужить большей отказоустойчивости и сокращению избыточных данных для коррекции ошибок. Этого можно достичь стабилизацией лазера и улучшением оптического оборудования.