Британские и российские физики создали первую экспериментальную вычислительную машину на базе «волшебной пыли» — особой комбинации света и материи, которая может решать некоторые задачи быстрее квантового компьютера, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
«Несколько лет назад наше чисто теоретическое предположение о том, как это сделать, было отвергнуто тремя научными журналами. Один рецензент сказал: «Где найдется такой сумасшедший, который попытается это реализовать?» Поэтому нам пришлось сделать это самим, и теперь мы подтвердили нашу гипотезу экспериментальными данными», — рассказывает Наталия Берлова, профессор Сколтеха и Кембриджского университета.
Стремительный рост объема данных, вырабатываемых и используемых человечеством в повседневной жизни, заставляет программистов, инженеров, физиков и представителей других наук искать новые способы обработки информации. Самые большие надежды сегодня возлагаются на квантовые компьютеры, способные обрабатывать космически большие объемы данных, и на системы машинного обучения и искусственного интеллекта, умеющие искать полезную «иголку» в стоге сена бесполезной информации.
К примеру, квантовые компьютеры и похожие на них машины будут способны оптимально распределять электричество и другие ресурсы, управлять потоками машин в режиме реального времени, прогнозировать котировки акций и определять наиболее разумный курс экономического развития. Сложность таких задач растет экспоненциально по мере увеличения набора данных и числа анализируемых параметров, из-за чего обычные компьютеры все хуже справляются с поиском оптимума.
Наталья Берлова и ее коллеги, посмотрев на проблему под другим углом, заметили, что подобные задачи можно решать, используя объекты микромира, взаимодействие между которыми будет естественным образом приводить к определению этого оптимального значения.
Эти объекты российские и британские ученые назвали «волшебной пылью» по аналогии со светящимся песком из компьютерных игр, фэнтези-фильмов и книг. В данном случае, как отмечают исследователи, он будет светиться только в той точке, которая соответствует оптимуму.
Эта «пыль» в реальном мире представляет собой набор так называемых поляритонов — сравнительно недавно созданных виртуальных частиц, которые, как и фотоны, одновременно ведут себя как волна и как частица. Поляритон состоит из трех компонентов — оптического резонатора, набора из двух зеркал-отражателей, заточенной между ними световой волны и квантового колодца – атома и вращающегося вокруг него электрона, который периодически поглощает и испускает квант света.
Как показывают недавние опыты и теоретические расчеты российских физиков, поляритоны можно использовать в качестве переносчиков информации в световых и квантовых компьютерах будущего, а также как основу для различных компактных источников света и других форм электромагнитного излучения.
Берлова и ее команда научились комбинировать поляритоны и заставлять их взаимодействовать между собой таким образом, чтобы они постепенно оседали и переходили в точку энергетического минимума. На основе подобного набора квазичастиц физики смогли создать компьютер, способный просчитывать свойства некоторых необычных материалов, таких как спиновые и сверхтекучие жидкости и различные магнитные материалы.
«Мы только начинаем изучать потенциал поляритонных графов для решения сложных задач. Сейчас мы масштабируем наше устройство до сотен узлов, проверяя его фундаментальную вычислительную мощность. Наша конечная цель – создание микрочипового квантового вычислителя, работающего при комнатной температуре», — заключает Павлос Лагудакис (Pavlos Lagoudakis), руководитель лабораторий гибридной фотоники в Сколтехе и Саутгемптонском университете.
