Исследователи Оксфордского университета опубликовали в журнале Nature статью, в которой описали успешный эксперимент по передаче данных с использованием квантовой телепортации. Эксперимент проводился между двумя квантовыми компьютерами, находившимися на расстоянии около двух метров. Однако ученые утверждают, что расстояние не имеет значения, поскольку методика должна работать вне зависимости от местоположения компьютеров. Этот прорыв частично решает одну из ключевых проблем квантовых вычислений.
В отличие от традиционных компьютеров, которые используют транзисторы, квантовые машины работают на кубитах. Кубиты обладают возможностью находиться в суперпозиции состояний, что значительно расширяет вычислительные возможности. Однако на данный момент инженеры не смогли добиться миниатюризации аппаратного обеспечения, а для выполнения сложных вычислений требуется десятки тысяч кубитов.
Чтобы компенсировать этот недостаток, ученые ищут способы объединения нескольких квантовых компьютеров в единую систему. Этот принцип схож с распределенными вычислениями, где множество обычных компьютеров подключены к сети и совместно решают одну задачу. Примером такого подхода является исследование сворачивания белков. Оксфордские ученые назвали свою работу «Распределенные квантовые вычисления через оптическую сеть».
Однако квантовые компьютеры не могут обмениваться данными так же, как традиционные устройства. Для создания квантовой сети необходимо, чтобы квантовые объекты на обоих концах соединения были запутаны. Запутанность означает, что два кубита находятся в неизвестном, но связанном состоянии — аналогично знаменитому мысленному эксперименту с котом Шрёдингера. Когда состояние одного кубита измеряется, второй моментально принимает то же состояние.
Создание такой связи открывает возможность построения квантовых сетей, которые обеспечат дополнительное количество кубитов для выполнения сложных операций. Кроме того, обмен запутанными данными снижает вероятность ошибок. Передача информации между квантовыми и традиционными компьютерами часто сопровождается высокой погрешностью. Напротив, передача состояний кубитов от одной квантовой системы к другой происходит без потерь, что исключает ошибки на этапе вычислений.
В ходе эксперимента исследователи использовали две ионные ловушки, соединенные двухметровым оптическим кабелем. В каждой ловушке находились ионы стронция и кальция. Кальциевый ион выступал в роли локального элемента памяти, а стронциевый служил интерфейсом квантовой сети. Лазеры, направленные через оптический кабель, запускали процесс запутывания.
Хотя запутанность не всегда достигалась с первого раза, неудачные попытки не нарушали состояния ионов, что позволяло ученым повторять эксперимент без сброса всей системы. Кроме того, успешное запутывание сопровождалось эмиссией фотона, что служило индикатором успешного выполнения операции.
После установления связи исследователи смогли передавать определенные квантовые операции на принимающий конец. Проведя многочисленные тесты с алгоритмом Гровера, ученые установили, что простая квантовая сеть возвращает правильные вычисления примерно в 70% случаев. Однако ошибки возникали не из-за процесса телепортации, а из-за локальных операций внутри квантовых компьютеров. Ученые считают, что использование коммерческих квантовых устройств позволит повысить точность вычислений.
Несмотря на значимость этого достижения, технология находится на раннем этапе развития. Хотя передача квантовых данных не ограничена расстоянием, на текущем этапе она зависит от длины оптического кабеля. Вопрос о возможности использования существующей оптоволоконной инфраструктуры остается открытым, так как сетевые шумы могут создавать помехи. Тем не менее, сам факт, что ученые сумели наладить мгновенный обмен данными между квантовыми компьютерами, является поразительным шагом вперед.
