Ինչպե՞ս «աղբ» մասնիկը կարող է փրկել քվանտային հաշվարկները
Հարավային Կալիֆորնիայի համալսարանի գիտնականները մշակել են նորարար լուծում, որը կարող է վերացնել ունիվերսալ քվանտային համակարգիչների ստեղծման հիմնական խոչընդոտներից մեկը: Նրանց գաղափարը հիմնված է այսպես կոչված «աղբ» մասնիկի՝ նեգլեկտոնի օգտագործման վրա, որը նախկինում համարվում էր անօգուտ: Այս մասնիկը, ավելացված Իզինգի անիոններին, հնարավորություն է տալիս կատարել տրամաբանական գործողությունների ամբողջական շարք, որն անհրաժեշտ է ունիվերսալ քվանտային հաշվարկների համար: Հետազոտությունը հրապարակվել է Nature Communications ամսագրում:
Քվանտային համակարգիչների խնդիրը
Ժամանակակից քվանտային համակարգիչները բախվում են լուրջ խնդրի. կյուբիթները՝ քվանտային տեղեկատվության հիմնական միավորները, չափազանց զգայուն են արտաքին ազդեցությունների նկատմամբ, ինչպիսիք են աղմուկը, ջերմաստիճանը կամ էլեկտրամագնիսական խանգարումները: Սա հանգեցնում է սխալների և սահմանափակում է համակարգերի մասշտաբայնությունը: Հեռանկարային լուծումներից մեկը տոպոլոգիական քվանտային հաշվարկային համակարգն է, որտեղ տեղեկատվությունը կոդավորվում է ոչ թե մասնիկների վիճակներում, այլ նրանց երկրաչափական հատկություններում, օրինակ՝ երկչափ տարածությունում նրանց շարժման հետագծերում: Նման համակարգերն ավելի դիմացկուն են խանգարումների նկատմամբ:
Ամենաուսումնասիրված թեկնածուներն այդ համակարգերի իրականացման համար Իզինգի անիոններն են՝ կվազիմասնիկներ, որոնք կարող են գոյություն ունենալ որոշակի նյութերում: Սակայն նրանց հնարավորությունները սահմանափակ են. դրանք կարող են կատարել միայն գործողությունների նեղ շրջանակ, ինչը բավարար չէ լիարժեք քվանտային համակարգչի համար:
«Աղբ» մասնիկի դերը
Մաթեմատիկոս Աարոն Լաուդայի գլխավորած թիմն առաջարկել է անսպասելի լուծում՝ Իզինգի անիոններին ավելացնել նոր տիպի մասնիկ՝ նեգլեկտոն (անգլ. neglect՝ «անտեսել»): Այս մասնիկները նախկինում բացառվում էին հաշվարկներից, քանի որ համարվում էին մաթեմատիկորեն անօգուտ՝ իրենց «զրոյական քվանտային հետքի» պատճառով: Սակայն Լաուդան և նրա գործընկերները պարզել են, որ նեգլեկտոնները կարող են դառնալ ունիվերսալության բանալին:
«Մենք գտանք մի ճանապարհ՝ օգտագործելու այն, ինչ նախկինում համարվում էր մաթեմատիկական աղբ», — նշել է Լաուդան: «Եթե նեգլեկտոնը տեղադրենք կենտրոնում և այն շրջապատենք Իզինգի անիոններով, կարող ենք իրականացնել բոլոր անհրաժեշտ տրամաբանական գործողությունները»:
Սխեման ենթադրում է, որ անշարժ նեգլեկտոնը, շրջապատված շարժվող Իզինգի անիոններով, հնարավորություն է տալիս ստեղծել քվանտային վենթիլների ամբողջական շարք, որն անհրաժեշտ է ունիվերսալ հաշվարկների համար: Սա համակարգը դարձնում է ընդունակ լուծելու ցանկացած խնդիր, որը կարելի է ծրագրավորել քվանտային համակարգչով:
Հեռանկարներ և մարտահրավերներ
Հետազոտության հեղինակները ընդգծում են, որ իրենց գաղափարը դեռևս տեսական է, բայց բացում է նոր հնարավորություններ կայուն քվանտային համակարգիչների ստեղծման համար: Հիմնական մարտահրավերը նյութեր գտնելն է, որոնցում կարելի է իրականացնել անշարժ նեգլեկտոն: Եթե դա հաջողվի, տեխնոլոգիան կարող է օգտագործել արդեն լավ ուսումնասիրված Իզինգի անիոնները՝ լրացված նոր տարրով:
«Եթե սա հաջողվի, մենք կկարողանանք կառուցել ունիվերսալ քվանտային համակարգիչ՝ օգտագործելով արդեն լավ ուսումնասիրված մասնիկներ: Պակասում էր միայն մի փոքր կտոր, որը նախկինում ոչ ոք չէր նկատել», — եզրակացրել է Լաուդան:
Բացահայտման նշանակությունը
Քվանտային հաշվարկների «մութ նյութը»՝ սխալների նկատմամբ կայունությունը, մնում է այս տեխնոլոգիայի զարգացման հիմնական խնդիրներից մեկը: Տոպոլոգիական համակարգերը, ինչպիսին առաջարկել է Լաուդան, կարող են դառնալ լուծում՝ շնորհիվ արտաքին խանգարումների նկատմամբ իրենց կայունության: «Աղբ» մասնիկի՝ նեգլեկտոնի օգտագործումը ոչ միայն լուծում է Իզինգի անիոնների սահմանափակությունների խնդիրը, այլև ցույց է տալիս, թե ինչպես անսպասելի մաթեմատիկական տարրերը կարող են արմատապես փոխել տեխնոլոգիաների մոտեցումը:
Եզրակացություն
Հարավային Կալիֆորնիայի համալսարանի թիմի բացահայտումը կարող է դառնալ բեկումնային քվանտային համակարգիչների ստեղծման գործում: Նեգլեկտոնի ներդրումը թույլ է տալիս օգտագործել Իզինգի անիոնները՝ քվանտային գործողությունների ամբողջական սպեկտր կատարելու համար՝ դարձնելով համակարգը ավելի կայուն և ունիվերսալ: Թեև գործնական իրականացումը պահանջում է համապատասխան նյութերի որոնում, այս աշխատանքն արդեն իսկ նոր ուղղություն է սահմանում քվանտային տեխնոլոգիաների հետազոտություններում: Ապագայում գիտնականները հույս ունեն փորձարկել այս սխեման լաբորատոր պայմաններում, ինչը կարող է մոտեցնել մասշտաբային և հուսալի քվանտային համակարգիչների դարաշրջանը: