Почему квантовый компьютер невозможен
Обновлено: 04.07.2024
В квантовые компьютеры инвестируют миллиарды долларов в надежде, что однажды они изменят мир. Однако это «однажды» все не наступает. Российский физик Михаил Дьяконов, ведущий исследования в лаборатории Шарля Кулона Университета Монпелье (Франция), считает, что многообещающее направление науки превращается в пиар-пузырь и скоро интерес к нему угаснет.
Гонка вооружений или погоня за мечтой
Впервые концепция квантовых вычислений была предложена 1980 году знаменитым советским математиком Юрием Маниным, пусть и в достаточно расплывчатой форме. Через несколько лет оксфордский физик Дэвид Дойч сформулировал теорию полноценного квантового компьютера, квантового аналога универсальной вычислительной машины Тьюринга.
Популярность идея стала набирать в 1990-е годы. Тогда начали проводиться многочисленные исследования, а в научных журналах стали публиковать статьи — преимущественно теоретические.
Изыскания в этой сфере ведутся десятилетиями, но пока безрезультатно — квантовые компьютеры до сих пор не стали реальностью. Интерес к технологии еще сохраняется, но скоро первичный ажиотаж уступит место разочарованию, уверен известный физик-теоретик Михаил Дьяконов, автор теории «поверхностных волн Дьяконова».
В своей колонке в IEEE Spectrum, которая озаглавлена «Дело против квантовых вычислений», ученый вспоминает, какие надежды подавали квантовые компьютеры первое время. Эксперты обещали, что устройства совершат прорыв в разработке новых материалов и открытии новых лекарств. Квантовые компьютеры якобы откроют новые возможности для развития искусственного интеллекта, изменят промышленность, экономику, общество.
«Доходит до того, что физикам их разных областей приходится специально связывать свою работу с квантовыми компьютерами, чтобы как-то оправдать свои исследования», — пишет Дьяконов.
Физик отмечает, что на разработку квантовых систем тратятся миллиарды — их спонсируют как государства , так и частные компании, в том числе ИТ-гиганты Google, IBM, и Microsoft. «Они усердно и не жалея ресурсов трудятся над технологиями в ультрасовременных лабораториях в надежде воплотить свое видение будущего», — замечает исследователь. Этот процесс он называет «нескончаемой гонкой вооружений».
Однако никто так и не может дать ответ, когда же квантовые компьютеры станут реальностью. Одни оптимистично говорят о диапазоне 5-10 лет , другие — 20-30 лет. Причем эти прогнозы остаются неизменными уже не первый год, а сроки не сдвигаются.
Нехватка кубитов и фантастические препятствия
Дьяконов несколько десятилетий посвятил изучению квантовой физики и физики конденсированного состояния.
И пришел к выводу: решающий практические задачи квантовый компьютер невозможен в обозримом будущем.
Главная проблема — это колоссальные технические препятствия, которые не дают ученым воплотить замысел в жизнь. Дьяконов объясняет: для того, чтобы квантовый компьютер смог сравниться в решении самых обычных задач с простым ноутбуком, ему необходимо от 1000 до 100 000 кубитов. Количество параметров, которое в каждый момент времени просчитывает квантовый компьютер определяется по формуле 2 в степень N, где N — число кубитов.
Значит, в каждый момент времени даже не слишком мощный квантовый компьютер должен оперировать минимум 2 в 1000-й степени параметрами. Это соответствует 10 в 300-й степени.
«Для сравнения — в наблюдаемой части Вселенной сосредоточено лишь 10 в 80-й степени субатомных частиц. На этом моменте описания компьютерной технологии будущего любой серьезный инженер потеряет к ней всякий интерес», — утверждает ученый.
Дьяконов добавляет, что при таком количестве непрерывных параметров число ошибок невозможно контролировать, как бы ни пытались теоретики убедить общественность в обратном.
Физик отмечает, что с точки зрения «железа» в отрасли появляются новые перспективные разработки. Он приводит в пример чип на 49 кубитов от Intel, на 50 кубитов от IBM и на 72 — от Google. «Но конечный итог этих разработок пока не совсем ясен, поскольку компании не разглашают детали исследований».
Эксперт признает, что подобные изыскания необходимы и в долгосрочной перспективе они принесут пользу науке.
«Однако я сомневаюсь, что эти попытки приведут к созданию реального квантового компьютера для практического применения», — замечает Дьяконов.
Он приходит к выводу, что скоро отрасль превратится в пиар-пузырь, поскольку интерес к многообещающим технологиям обычно держится лишь несколько десятилетий. «Любого, кто давно следит за отраслью, уже должны раздражать очередные обещания прорыва», — пишет физик.
По его мнению, все эти факторы ставят под сомнение перспективы технологии. Разрыв между скромными устройствами в несколько кубитов и мощными машинами на тысячи и миллионы кубитов колоссален, и вряд ли его удастся преодолеть в ближайшее время.
Дьяконов вспоминает рекомендацию физика Рольфа Ландауэра. Тот еще несколько десятилетий назад посоветовал сопровождать исследования по квантовым вычислениями специальным дисклеймером: «Проекты квантовых вычислений опираются на спекулятивную технологию. В своей нынешней форме она не принимает в расчет всевозможные источники помех, ненадежностей и ошибок производства, так что работать, скорее всего, это не будет».
Михаил Лукин — наш соотечественник и специалист по квантовой физике. В прошлом месяце он впервые за последние 20 лет читал доклад на русском языке, рассказывая в Digital October о сути своей работы.
Михаил занимается квантовыми компьютерами: пока, собственно, компьютер не получается, зато получается много других интересных практических применений среди которых высокоточные сенсоры и сверхточные часы.
Что вообще творится в квантовой физике сейчас?
Чтобы объяснить суть происходящего в этом направлении науки, стоит вспомнить историю лазера. Изначально лазер был изобретён как своеобразная научная игрушка: удивителен, но совершенно не имел практического применения. Лет десять подряд после его изобретения учёные шутили, что это ответ, который ищет свою задачу. Что было после – вы знаете: задач нашлось целое море, причём одна из самых больших – это передача данных по оптоволоконным системам, составляющим, по сути, физическую сущность Интернета.
В настоящий момент у квантовых физиков есть несколько подобных «игрушек», каждая из которых является достаточно интересной вещью с точки зрения фундаментальной науки, но пока не имеет ярко выраженного практического применения. Вот пример: сейчас нужно около 1000-2000 атомов, чтобы закодировать один бит. По закону Мура через 10 лет потребуется всего один атом для кодирования такого же объёма информации. Классическая природа отойдёт в сторонку и за дело примутся квантовые физики, которые уже с нетерпением смотрят на возможные инвестиции оценивают перспективы.
Может ли отдельный атом хранить информацию? В теории – да. Ядро и электрон вроде бы отдельные части, всё, по идее, похоже на старые принципы хранения данных на жестких дисках, но просто лежит уровнем ниже… но в квантовом мире перенос обычных процессов не работает. По сути, мы упираемся в фундаментальный предел.
Волшебное слово «невозможно»
Если хранить данные классическим образом не выходит, нужны новые механики. Именно ими занимается Михаил и группа его коллег. Понимание того, что нужны новые процессы обработки данных, открывает новые перспективы:
Электроны и ядра имеют маленький магнитный момент – спин. Можно представить, что электрон или ядро крутиться вокруг своей оси и из-за этого вращения у него появляется некая полярность, у него появляется магнитный момент. Этот магнитный момент можно рассматривать как некую магнитную память. В этом случае единичку можно закодировать в магнитик, который будет смотреть вверх, а нолик – в магнитик, который будет смотреть вниз. Вот, это самое простое свойство позволяет нам закодировать классический бит информации. Оказывается, что это магнитное свойство частиц, оно, как бы, квантовый объект. Квантовые законы описывают поведение частиц на таких маленьких размерах. Оказывается, что мы не только можем записать ноль и единичку, также мы можем записать то, что между ними, то есть мы можем записать так называемую суперпозицию (комбинацию) 0 и 1. Это можно себе представить, как магнитик, который будет повернут не наверх или вниз, а как магнитик, который повернут куда-то в сторону. Это очень важное свойство квантовых систем, которое позволяет закодировать не просто классический бит, а, так называемый, квантовый бит информации.
Если приложить законы квантовой механики, например, к столу к этому, то, в принципе, по этим законам, возможно, создать состояние этого стола такое, что он будет находиться у меня в Кембридже и одновременно в Москве в Digital October.
Упрощая, один квантовый объект (подобно кошке Шредингера) может отдавать два разных набора данных в один момент времени. Это открывает возможности не только для построения накопителей нового типа, но и позволяет использовать квантовые объекты для создания процессоров нового типа. Возможно закодировать сразу несколько возможных состояний в один бит позволяет перерабатывать информацию с очень высокой степенью распареллеливания. Эта идея квантового ускорения, которая является главной идеей в развитии квантовых компьютеров.
Главная проблема на текущий момент с квантовыми компьютерами — эти ячейки просто адски чувствительны ко внешним возбуждениям. Соответственно, пока одна группа учёных пытается как-то стабилизировать микромир, вторая группа использует эти свойства и делает сенсор нового поколения, превосходящей по чувствительности всё то, что было возможно в мире масштабов сотен и тысяч атомов.
И что со всем этим делать?
Теперь самое главное: как можно записывать информацию, считывать, каким образом перерабатывать информацию, сохраненную в отдельных атомах? Здесь используется пересечение лазерных технологий и резонансных методов (тех самых, которые используются при обследовании мозга в больницах). Первые исследования в этой сфере начались ещё в СССР, в частности, Владленом Летоховым, идеи которого определяют развитие науки до сих пор. В частности, он был изобретателем лазерного охлаждения: он придумал как использовать лазер для движения, детектирования и охлаждения атомов. Сейчас системы, в которых отдельные ионы сохраняются в вакуумной трубке в электромагнитных ловушках — одни из наиболее вероятных платформ для реализации квантовых компьютеров.
Владлен Летохов
Уже есть относительно большие по современным меркам квантовые компьютеры (прототипы), которые имеют 4 кубита и могут производить разнообразные вычисления. Уже понятно, что на основе этих исследований можно говорить о революции в области сенсоров, появлении контролируемых квантовых материалах, сверхбыстрой передаче данных и криптосистемах нового поколения. Можно ли будет собрать квантовый компьютер в реальности? Пока учёные просто не знают ответ на этот вопрос, но попытки продолжаются уже лет 15 – и если получится не компьютер, то ответы к другим задачам — точно.
Например, квантовые сенсоры и атомные часы – это темы, которые уже сейчас разрабатываются с огромным прикладным уклоном. Например, атомные часы являются ключевым звеном и сети GPS и ГЛОНАСС. Самые точные атомные часы используют квантовые биты, которые закодированы в охлажденных ионах – аккурат такие, которые используют сейчас при создании квантового компьютера. Стоит улучшить точность на порядок – и появится возможность точной навигации, например – автотранспорта без водителей. Это пример глобальных последствий маленького научного достижения. Таких примеров сотни.
Какие есть проблемы?
Их сейчас две. Первая — экзотичность компьютеров. С увеличением размеров системы от прототипа до более-менее практически-допустимой схемы, всё становится сложнее: например, с вакуумными трубками возникает проблема одновременной изоляции и контроля, что нужно решать. Вторая проблема — это вопрос того, что делать с квантовыми компьютерами на практике: текущий уровень разработок предполагает очень серьёзную нестабильность, практически исключающую сколько-нибудь практическое применение за стенами лаборатории. Как и лазер в начале, это пока просто игрушка, которая обещает стать чем-то очень серьёзным.
Отчасти задача решается. Михаил Лукин со своей командой смог создать квантовый бит, который использует спин отдельного ядра и работает при комнатной температуре. При этом состояние сохраняется макроскопически долгое время (дольше 1 секунды) — по меркам квантовой физики это всё равно что сто лет. Основная идея этой работы – использовать отдельные атомы, которые вживляются в алмазные образцы.
Почему алмаз?
Во-первых, он твёрдый. Во-вторых — уникальный полупроводник с большой шириной запрещенной зоны. Алмаз также очень хороший теплопроводник. В экспериментах используется два разных типа алмаза: выращенный кубик макроскопических размеров (много таких объектов – алмазная пыль). Они получаются очень чистыми, практически без примесей. Если добавить примесь, то она может, по существу, быть сравнима с отдельным изолированным атомом, таким, каким является отдельный ион в вакуумной трубке. Здесь разница в том, что атом сохраняется в твердотельной матрице даже при комнатных температурах. Используется атом азота, который замещает атом углерода в центре матрицы. Оказывается, что энергетически выгодно иметь пустое место: это одна из немногих примесей в алмазе и она имеет свойства, очень похожие на свойства иона.
Почему? Потому что эта примесь излучает свет. Что показано тут – это чистый алмаз, в котором отдельные атомы светятся. У него тоже есть вот этот спин. Есть магнитный момент, про который я говорил уже раньше, в который можно закодировать магнитную квантовую информацию. Эти примеси можно создавать, начиная с чистого алмаза просто бомбардируя его ионами азота. Это пример такой, где сделано некое упорядочивание и образец, созданный на этом Nitrogen-Vacancy color center.
Нанокристаллы алмаза
То есть чтобы создать ядерный кубит, используется ядро из изотопов углерода. Алмазная решетка состоит из 2 изотопов углерода с атомными номерами 12 и 13. Только один из них имеет магнитный момент, только один из них имеет спин, и его можно использовать как кубит.
Выращивается образец, который состоит, практически, исключительно из изотопа с атомным весом 12, и после этого он используется чтобы измерять отдельные ядерные магнитные моменты. Лазер фокусируется его на одном из его центров, затем замеряется количество испускаемого света, чтобы измерить соседние ядра. Количество света прыгает между 2 разными уровнями. Каждый из этих уровней соответствует определенной ориентации ядерного магнитного момента. Именно эта дискретность уровня света показывают, что эта система – квантовая система. Итак, у нас есть стабильная модель квантовой системы.
Одна квантовая система может жить в одном состоянии целые минуты. Для того чтобы действительно сделать эту систему кубитом, нам нужно обеспечить суперпозицию состояний. Недавние измерения показывают нам, что можно сохранять эту квантовую память на протяжении нескольких секунд. Это очень важно: обычный кубит живёт от миллионной до миллиардной доли секунды. Михаил считает, что время жизни можно будет удлинить до минут, а может быть даже до часов.
На стенде – круто, на бумаге тоже, но что дальше?
Кубитами могут быть отдельные атомы азота. В алмазе они могут взаимодействовать между собой. Михаил пытается увеличить количество кубитов, чтобы создать новый процесс. Второй вариант развития событий — разработки квантового интернета, фотоны будут использоваться для передачи информации памяти локальному процессу.
Одно из возможных приложений – это идея Стефана Бизнера, которая начала всю область квантовой информатики. В 69 году он предложил использовать квантовые биты, чтобы сделать, так называемые квантовые деньги. Идея квантовых денег заключается в следующем: если закодировать информацию в квантовом виде, её невозможно скопировать, но измерив правильным образом, можно подтвердить ее достоверность.
Как работают квантовые деньги?
У вас есть банкнота, и в этой банкноте есть несколько квантовых бит. Если кто-то захочет скопировать эту банкноту, ему придется измерить ориентацию всех квантовых битов. Если мы кодируем информацию в суперпозицию состояний, то невозможно понять, какое реальное состояние кубита было закодировано. В то же время банк, который закодировал информацию, знает, какое было направления кодировки и может подтвердить, что это настоящая банкнота.
Это простая идея, но конце 60-х годов никто в неё не верил. Сам Визнер пытался опубликовать статью с описанием этой теории почти 10 лет. Сейчас эта идея – базис для направления работы в плане сохранения и передачи информации.
Ещё приложения?
Исследования показывает, что можно увеличить разрешение томографии до таких пределов, что можно видеть на отдельные атомы или молекулы. Команда Михаила собрала сканирующий сенсор из алмаза. На кончике размещается отдельный атом азота: измеряя свойства этого атома по методике, описанной выше, можно измерить локальное магнитное поле. В частности, в этом эксперименте было измерено магнитное поле, которое создается классическим жестким диском с разрешением порядка 3 нм. Более того, оказывается, что такие эксперименты можно делать даже внутри живущих организмов: можно измерять магнитные поля и делать магнитную томографию живых клеток с просто невероятным разрешением. Это, кстати, очень важно, например, для понимания работы мозга.
Есть другие группы, работающие в этом направлении?
Да, в России есть Scontel, плюс Михаил знает ещё как минимум команду, которая пытается сделать квантовый компьютер.
Профессор Университета Ульма Томмасо Каларко, крупный специалист по квантовым компьютерам, приезжал в середине марта с лекцией в МФТИ. Он рассказал студентам о перспективах развития квантовых технологий и возможном участии в этом России и, в частности, иннограда «Сколково».
Квантовый компьютер принципиально отличается от привычных нам ПК. В его основе лежит использование квантовых битов – кубитов. Каждый кубит может, как и обычный бит, находиться в состояниях 0 и 1, но при этом ещё и в суперпозиции – наложении – этих состояний. Тогда он случайно принимает одно из значений. За счёт этого операции над группой кубитов затрагивают сразу все возможные состояния системы, обеспечивая хорошее распараллеливание вычислений.
В теории всё красиво, практика же пока подводит.
– Господин Сурков спросил меня утром: можем ли мы создать квантовый компьютер? – уточнил учёный в начале лекции.
Дело в том, что в МФТИ мистер Каларко приехал прямо из кабинета правительства, где проходило заседание по вопросу создания центра квантовых технологий в «Сколково».
– И мой ответ был таким: никто не знает, как сделать это. – Но почему мы не можем? – оживлённая речь профессора Каларко иногда ускорялась чуть ли не до световых скоростей. – Во-первых, мы не можем нормально транспортировать атомы. Во-вторых, мы не можем присвоить адрес в массиве конкретному кубиту для управления им. Ведь мы хотим, чтобы система подчинялась нам и только нам.
Здесь поможет теория оптимального управления. Суть её такова: предположим, надо перейти из одной точки гильбертова пространства (совокупности математических операций над квантовыми величинами) в другую. Можно идти как угодно, но теория говорит, что найдётся наилучший путь, – и помогает его найти.
Господин Каларко привёл пример с официантом: если тот ходит медленно, то пища наверняка будет доставлена по назначению. В квантовых масштабах это «медленно» не годится: оно приведёт к декогеренции, то есть нарушению связей в квантовой системе, возникающей из-за влияния внешней среды.
– Такая «остывшая» система заказчику не подойдёт, и он попросит деньги назад, – пошутил учёный.
Если же идти слишком быстро, точность измерений сильно упадёт и много посуды окажется на полу. Профессиональные же официанты ходят иначе: сначала они ускоряются, идут с некоторым наклоном и замедляются. Функционирующий по похожему принципу алгоритм разрабатывают для использования в квантовом компьютере.
Каларко работает над переключателем квантовых регистров в оптической решётке, основанном на изменении расстояния между атомами. Его цель – максимально уменьшить ошибку измерений протекающих при этом процессов.
– В теоретической физике есть известный факт: если вы сталкиваетесь с проблемой, то её, скорее всего, уже решили русские лет сорок назад, – в этот момент зал рассмеялся: несмотря на беглый английский лектора, шутку оценили многие. – И наш случай не исключение.
– Профессор Кротов предложил оптимизационный алгоритм. Вернёмся к нашему официанту. Что вы делаете, когда бьёте тарелки? Правильно, возвращаетесь назад во времени, представляя, как всё было бы, поступи вы немного иначе. Вы проектируете свои желания на то, что уже сделали. И в новой реальности вы будете аккуратнее. Так и алгоритм Кротова постоянно «возвращает» квантовую систему в прошлое и показывает, что будет при некоторой её корректировке. Ошибка при этом, конечно же, уменьшается.
После лекции студенты задавали итальянскому учёному вопросы. Правда, тех, что относились непосредственно к физике, описанной в докладе, было мало – трудный материал и на русском тяжело воспринимается. Физтехов больше интересовала цель приезда Каларко в Москву, темы его разговоров с чиновниками в Кремле.
– Я с радостью вам отвечу. После нескольких месяцев подготовки я был назначен кем-то вроде исполнительного директора нового центра квантовых технологий в «Сколково». Научные советники центра – известные учёные, в июле мы планируем провести большую конференцию и приступить к поиску исследователей, – объяснил учёный. – Сегодня мы обсуждали, что требуется, чтобы следующий этап по созданию центра был одобрен и инвесторами, и правительством. Мы готовы начать работу, как только российское правительство даст нам зелёный свет. И сразу же примемся за привлечение к работе центра ярких, талантливых студентов из МФТИ и других ведущих вузов. На базе «Сколково» будет проводиться обучение, также мы сможем предоставить программы по обмену студентами с ведущими мировыми научными центрами.
Помимо проектирования квантовых компьютеров, в центре господина Каларко будут идти работы по квантовому моделированию атомных процессов, разработке методов детектирования очень маленьких магнитных полей, что пригодится в медицинской томографии, приблизит создание сверхточных часов.
Почему за квантовым компьютером будущее?
Зачем вести разработки по созданию квантовых компьютеров? Чем нас не устраивают нынешние, которые постоянно прогрессируют в своей мощности? Теоретически квантовые компьютеры способны быстро решать задачи, на которые даже у суперкомпьютеров уйдут тысячелетия.
— Но есть нюанс. Пока квантовый компьютер дает выгоду только для определенного круга задач. Сейчас они и строятся под такие задачи. Поиск дающих выгоду квантовых алгоритмов — это сама по себе отдельная дисциплина, — рассказывает Дмитрий Могилевцев. — Бум квантовых компьютеров начался с того, что американец Питер Шор предложил с их помощью решать очень важную с практической точки зрения задачу факторизации. Она имеет огромное значение в криптографии.
Перемножить целые числа — это просто, а вот узнать, на какие простые множители разлагается число — крайне трудная задача для классического компьютера. 15 факторизуется на простые числа 3 и 5. Но что если число очень большое и состоит из тысяч цифр?
В теории на классическом компьютере такую задачу разрешить можно, однако на практике это потребует много времени. Увеличивается число — временны́е затраты возрастают по экспоненте и быстро выходят на времена, сравнимые с возрастом Вселенной. А алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел.
Например, современный суперкомпьютер, позволяющий делать более десяти в пятнадцатой степени операций в секунду, разложил бы число с пятьюстами знаками за 5 млрд лет. Квантовый компьютер со скоростью всего миллион операций в секунду решил бы ту же задачу за 18 секунд.
Так как факторизация лежит в основе всей современной криптографии, изобретение эффективных квантовых компьютеров поставит под угрозу большинство активно используемых ныне методов шифрования данных. Ведь вся информация, которая нынче передается через сеть, подвергается шифрованию — банковские транзакции, секретная переписка в соцсетях и прочее. Квантовый компьютер сможет подобрать код для расшифровки этих данных в мгновение ока. И тогда не останется ничего тайного.
— Правда, надолго ли — это еще вопрос. Уже сейчас ведутся работы над постквантовым шифрованием, устойчивым к подобному взлому. Хотя эффективность таких систем криптографии пока еще много хуже традиционных.
А еще квантовые компьютеры могут быть очень полезными для моделирования динамики сложных квантовых систем. Именно в этом еще в начале 80-х годов прошлого века видел их выгоду знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Кстати, сама идея квантовых вычислений предложена известным советским математиком Юрием Маниным в 1980 году.
Что же такое квантовый компьютер?
Это компьютер, использующий вместо классических битов (бинарных переменных, единичек и нулей) кубиты — состояния квантовой системы с двумя уровнями. В отличие от битов, кубиты могут находиться в состоянии 0, 1 и в суперпозиции 0 и 1.
— Помните мысленный эксперимент с котом Шредингера? Пока мы не откроем коробку, кот в ней и «жив», и «мертв» одновременно. Состояние кота в коробке и называется суперпозицией.
Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам делать параллельные, а не последовательные вычисления, что на порядок ускоряет работу в определенных алгоритмах. И чем больше в нашем процессоре связанных кубитов, тем больше информационное преимущество квантового компьютера над классическим, тем он потенциально мощнее и быстрее.
— В отличие от классических компьютерных битов и транзисторов, кубиты для своего физического воплощения требуют, как правило, отдельных квантовых систем с дискретными энергетическими уровнями и единичных квантов возбуждений.
Кубиты можно реализовать, например, с охлажденными атомами в ловушках, дефектами в нанокристаллах алмаза или сверхпроводящими контурами. Последние на современном этапе считаются самыми перспективными для построения квантовых компьютеров, поскольку сверхпроводящий контур-кубит, по сути, — объект почти макроскопический, размером в микрометры, доступный для манипуляций и массового изготовления.
Сверхпроводящие кубиты можно создавать на основе существующих методов литографии и помещать на чипы, не боясь, что они куда-нибудь сбегут как атомы. Так, в 2015 году Министерство образования и науки РФ сообщало о создании кубитов из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон: «Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров». Для печати кубита использовалась технология электронной и фотолитографии. Процесс этот весьма увлекательный и подробно расписан создателями в их блоге.
Существуют ли настоящие квантовые компьютеры?
Правда, на стол в каждой отдельной семье квантовый компьютер поставить трудно — это ящик трехметровой высоты стоимостью $15 млн, внутри которого холоднее, чем в открытом космосе, нагретом реликтовым излучением до 2,725 Кельвина или -270,425 градусов по Цельсию. [Компьютер D-Wave работает при температуре -273 градуса по Цельсию, тогда как на орбите Земли средняя температура абсолютно черного тела составит +4 градуса — прим. Onliner.by]. И даже если оставить сомнения в истинной квантовости компьютера «Ди-вэйв», выгода от него — лишь для отдельных специализированных задач.
В некоторых случаях речь идет о задачах по оптимизации функции затрат по принципу квантового отжига. Например, компании Google это позволило в одном из таких алгоритмов добиться в 100 млн раз большего быстродействия по сравнению с обычным компьютером.
А летом прошлого года группа физиков под руководством профессора Гарварда и сооснователя Российского квантового центра Михаила Лукина смогла создать 51-кубитный квантовый компьютер для моделирования квантовых систем, то есть квантовый симулятор. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — говорил Михаил Лукин в интервью РБК. Квантовый симулятор, по мнению американского ученого Кристофера Монро, это то, что можно запрограммировать под выполнение лишь определенного вида задач и со временем превратить в универсальный квантовый компьютер, когда станет возможно программировать симулятор произвольным образом. Михаил Лукин отмечает, что на данном этапе исследований грань между компьютером и симулятором очень размыта.
Компания Intel в октябре прошлого года объявила о выпуске экспериментального 17-кубитного квантового процессора. Разработчики утверждают, что применили новую архитектуру, которая позволила повысить надежность, улучшить температурные характеристики и изоляцию от помех из-за совместной работы кубитов.
Работы ведутся. Как в середине прошлого века ученые предполагали, что на весь мир хватит и пяти компьютеров, так в нынешнем столетии хочется надеяться, что и задач для квантовых компьютеров станет больше, и для их производства найдутся эффективные и масштабируемые технологии. Пока же есть загвоздки.
Что останавливает торжество квантовых компьютеров?
— Конечно, было бы здорово, если бы удалось сделать компактный и дешевый универсальный квантовый процессор, для всякой задачи работающий не хуже классического и пригодный для помещения в смартфон. Но, увы, пока технологические затруднения слишком велики. Квантовость хрупка. Окружающий мир постоянно толкает наше квантовое состояние, и оно размывается.
Представьте, что вы пытаетесь удержать неподвижным маленький шарик в широкой миске, в то время как вас и миску в ваших руках постоянно и быстро толкают в разные стороны. Шарик остается в миске, расстояние от него до ваших глаз более-менее постоянно, но его положение все время меняется, он дрожит и в ваших глазах превращается в расплывчатое пятно.
На научном языке это называется «декогеренцией». Для большого числа кубитов подобный фазовый шум — настоящее бедствие, способное быстро убить все то, что дает преимущество квантовому компьютеру. Он загоняет квантовое состояние в классическое, губит суперпозицию. Нужно изолироваться, не дать окружающему миру толкать наши кубиты. Один из выходов — попросту заморозить окружающее до суперкосмического холода, как в «Ди-вэйв». Оттого и трехметровые габариты, и высокая цена — хотя сам процессор величиной с ноготь.
Но сейчас интенсивно разрабатываются и другие платформы для квантового процессора, например дефекты в нанокристаллах алмаза, которые способны сохранять когерентность при комнатной температуре.
В последние годы в гонку ввязались мировые технологические гиганты, а потому можно ожидать, что в ближайшие десятилетия мы увидим полноценный квантовый компьютер. Если не на своем столе в гостиной, то в университетской лаборатории уж точно.
Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!
Читайте также: