Фізики знайшли жорстку межу продуктивності великих квантових комп’ютерів

Нещодавно виявлений компроміс у тому, як працюють пристрої, що фіксують час, на фундаментальному рівні може встановити жорстку межу для продуктивності великомасштабних квантових комп’ютерів, вважають дослідники з Віденського технологічного університету.

Хоча це питання не є нагальним, наша здатність розвивати системи, засновані на квантових операціях, від прототипів до практичних бегемотів, що обчислюють числа, буде залежати від того, наскільки добре ми зможемо надійно розбивати дні на все більш дрібні порції. Дослідники кажуть, що це завдання буде ставати все більш складним.

Незалежно від того, чи ви рахуєте секунди за шепотом Міссісіпі, чи ділите їх за допомогою маятникових коливань електрона в атомному ув’язненні, міра часу обмежена рамками самої фізики.

Одна з цих меж пов’язана з роздільною здатністю, з якою можна розділити час. Вимірювання будь-якої події, коротшої за 5,39 x 10-44 секунди, наприклад, суперечить теоріям про основні функції Всесвіту. Іншими словами, вони просто не мають сенсу.

Проте ще до того, як ми дійдемо до цієї жорсткої лінії в пісках часу, фізики вважають, що існує ціна, яку треба заплатити, і яка може завадити нам продовжувати вимірювати все менші одиниці.

Рано чи пізно кожен годинник зупиняється. Маятник сповільнюється, батарея розряджається, атомний лазер потребує перезавантаження. Це не просто інженерний виклик – сам плин часу є особливістю прогресу Всесвіту від високо впорядкованого стану до заплутаного, хаотичного безладу, відомого під назвою ентропія.

“Вимірювання часу завжди пов’язане з ентропією”, – говорить старший автор Маркус Губер, системний інженер, який очолює дослідницьку групу на перетині квантової інформації та квантової термодинаміки у Віденському технологічному університеті.

У своїй нещодавно опублікованій теоремі Губер та його команда виклали логіку, яка пов’язує ентропію як термодинамічне явище з роздільною здатністю, демонструючи, що якщо ви не маєте під рукою нескінченної енергії, ваш годинник, що швидко цокає, зрештою зіткнеться з проблемами точності.

Або, як каже перший автор дослідження, фізик-теоретик Флоріан Майєр: “Це означає: Або годинник працює швидко, або він працює точно – і те, і інше неможливо одночасно”.

Це може не бути великою проблемою, якщо ви хочете відраховувати секунди, які не будуть відхилятися протягом усього життя нашого Всесвіту. Але для таких технологій, як квантові обчислення, які покладаються на темпераментну природу частинок, що балансують на межі існування, час – це все.

Це не є великою проблемою, коли кількість частинок невелика. Зі збільшенням їхньої кількості зростає ризик того, що будь-яка з них може бути виведена з квантового критичного стану, що залишає все менше часу для проведення необхідних обчислень.

Багато досліджень присвячено вивченню потенційних помилок у квантових технологіях, спричинених галасливим, недосконалим Всесвітом. Здається, це перший раз, коли дослідники розглядають саму фізику хронометражу як потенційну перешкоду.

“Наразі точність квантових комп’ютерів все ще обмежена іншими факторами, наприклад, точністю використовуваних компонентів або електромагнітними полями”, – каже Губер.

“Але наші розрахунки також показують, що сьогодні ми вже недалеко від режиму, в якому фундаментальні межі вимірювання часу відіграють вирішальну роль”.

Цілком ймовірно, що інші досягнення в галузі квантових обчислень покращать стабільність, зменшать помилки і “виграють час” для того, щоб масштабовані пристрої працювали в оптимальний спосіб. Але чи буде ентропія мати вирішальне слово в тому, наскільки потужними можуть стати квантові комп’ютери, покаже тільки час.

Це дослідження було опубліковано в Physical Review Letters.