Прорыв решает "проблему масштабируемости" quantum: квантовый компьютер, достаточно мощный, чтобы стать прорывом в отрасли, должен быть способен обрабатывать миллионы кубитов. Однако для размещения всех этих процессоров в одном устройстве потребовалась бы машина огромных размеров. В рамках этого нового подхода небольшие квантовые устройства соединяются вместе, что позволяет распределять вычисления по сети. Теоретически, нет ограничений на количество процессоров, которые могли бы находиться в сети.

Масштабируемая архитектура основана на модулях, каждый из которых содержит лишь небольшое количество кубитов с захваченными ионами (носителей квантовой информации атомного масштаба). Они соединены между собой с помощью оптических волокон и используют свет (фотоны), а не электрические сигналы для передачи данных между ними. Эти фотонные связи позволяют запутывать кубиты в отдельных модулях*, позволяя выполнять квантовую логику между модулями с помощью квантовой телепортации.**

Хотя квантовая телепортация состояний была достигнута ранее, это исследование является первой демонстрацией квантовой телепортации логических элементов (минимальных компонентов алгоритма) по сетевому каналу. По мнению исследователей, это могло бы заложить основу для будущего "квантового интернета", где удаленные процессоры могли бы формировать сверхзащищенную сеть для связи, вычислений и зондирования.

Руководитель исследования Дугал Мейн из Оксфордского университета физики сказал: "Предыдущие демонстрации квантовой телепортации были сосредоточены на передаче квантовых состояний между физически разделенными системами. В нашем исследовании мы используем квантовую телепортацию для создания взаимодействий между этими удаленными системами. Тщательно адаптируя эти взаимодействия, мы можем выполнять логические квантовые элементы - фундаментальные операции квантовых вычислений - между кубитами, размещенными в отдельных квантовых компьютерах. Этот прорыв позволяет нам эффективно "соединять" различные квантовые процессоры в единый, полностью подключенный квантовый компьютер".

Концепция аналогична тому, как работают традиционные суперкомпьютеры. Они состоят из небольших компьютеров, соединенных вместе для достижения возможностей, которые превосходят возможности каждого отдельного устройства. Эта стратегия позволяет обойти многие инженерные препятствия, связанные с упаковкой все большего числа кубитов в одно устройство, сохраняя при этом тонкие квантовые свойства, необходимые для точных и надежных вычислений.

Дугал Мэйн добавил: "Соединяя модули с помощью фотонных соединений, система приобретает ценную гибкость, позволяя модернизировать модули или заменять их местами без нарушения всей архитектуры".

Исследователи продемонстрировали эффективность метода, выполнив алгоритм поиска Гровера. Этот квантовый метод выполняет поиск конкретного элемента в большом неструктурированном наборе данных гораздо быстрее, чем это может сделать обычный компьютер, используя квантовые явления суперпозиции и запутанности для параллельного изучения множества возможностей. Его успешная демонстрация подчеркивает, как распределенный подход может расширить квантовые возможности за пределы одного устройства, подготовив почву для масштабируемых, высокопроизводительных квантовых компьютеров, достаточно мощных, чтобы выполнять вычисления за считанные часы, на решение которых современным суперкомпьютерам потребовалось бы много лет.

Профессор Дэвид Лукас, главный исследователь исследовательской группы и ведущий научный сотрудник британского центра квантовых вычислений и моделирования, возглавляемого физиками Оксфордского университета, сказал: "Наш эксперимент демонстрирует, что распределенная по сети квантовая обработка информации возможна с использованием современных технологий. Масштабирование квантовых компьютеров остается сложной технической задачей, которая, вероятно, потребует новых физических знаний, а также интенсивных инженерных усилий в ближайшие годы".

* Квантовая запутанность: когда две частицы, такие как пара фотонов, остаются коррелированными, даже будучи разделенными огромными расстояниями. Это позволяет им обмениваться информацией без необходимости физического перемещения.

** Квантовая телепортация: передача квантовой информации на большие расстояния почти мгновенно с использованием запутывания.