Квантовые вычисления: борьба двух технологий

Винфрид Хенсингер обожает СтарТрек. «Я словно возвращаюсь в начальную школу», говорит директор Центра квантовых технологий Суссекса, Англия. «Я хотел быть ученым в крупной компании, поэтому отпахал в 5-м классе так, чтобы дальше изучать физику».

Сегодня, его ежедневная работа с абстрактными понятиями, заставила бы навострить уши самого Спока.

"Квантовые вычисления - это огромный вызов для молодых людей," сказал Хенсингер, -ведь это научная фантастика!-. Когда он начинал в этой области, все в значительной степени было ограничено теоретическими исследованиями. На сегодняшний день наиболее перспективные проекты - в пределах досягаемости создания универсального квантового компьютера - то, что было научной фантастикой, как StarTrek, всего несколько лет назад.

"До того, как появились компьютеры, мне пришлось научиться печатать на машинке," сказал Хенсингер посмеиваясь. "Жизнь действительно изменилась, когда компьютеры стали общедоступными. И квантовые вычисления ждет возможно такая же революция. "Когда начнется революция, это будет результатом нескольких десятилетий работы вовлеченных в нее ученых, математиков и инженеров.

Журнал Time красиво описал квантовые вычисления в 2014 в статье под названием "The Infinity Machine": "Она обещает решить некоторые из наиболее сложных проблем человечества. Разработка была поддержана основателем и генеральным директором Amazon Джефф Безосом, НАСА и ЦРУ. Каждый из компьютеров стоит $10,000,000 и работает при температуре 459 градусов ниже нуля. И никто не знает, как это на самом деле работает".

По мере того как квантовый компьютер делает скачок от теории к реальности, область, окружающая его готова «взорваться». Мы увидим приложения, о которых мы даже не предполагали ранее, от достижений научных лабораторий, доступных только специалистам, до странных и удивительных способов использования технологий, которые захватят чье-то воображение.

И все это благодаря очень известному коту.

Квантовая наука

Подумайте об этом: устройство, которое вы используете, чтобы прочитать эту статью, работает с информацией, хранящейся в виде двоичных цифр, или битов, каждый из которых может занимать дискретное значение 1 или 0. Стандартный символ из латинского алфавита состоит из восьми биты, и известен как байт. Восемь битов в байте, каждый из которых 0 или 1, могут вместе относиться к любому алфавитно-цифровому символу. Каждый компьютерный процесс, независимо от того, насколько он сложен, может быть сведен к последовательности битов.

Однако квантовый компьютер работает с информацией, которая хранится в квантовых битах или кубитах. Кубит может занимать значение 1, 0 или любую квантовую суперпозицию двух состояний. Это все немного усложняет.

Квантовая суперпозиция является примером "квантовой спутанности", вокруг которой ученые «крутились» в течение многих десятилетий. Проще говоря, это означает, что квантовый объект может занимать более одного состояния, пока он не измерен, как об этом говорится в знаменитом мысленном эксперименте про кота Шредингера.

Вместо того чтобы использовать транзисторы для отслеживания двоичных значений данных, квантовый компьютер использует квантовые объекты. В результате, вычислительная мощность квантового компьютера легко затмевает классический компьютер. Любой данный набор квантовых величин может представлять гораздо больше данных, чем традиционные двоичные данные, так как ему не требует ограничиваться данными в строке 0-й и 1-ц.

По крайней мере теоретически. Хотя исследователи и смогли прийти к решению  того, как квантовый компьютер работает, создание рабочего оборудования доказало сложность задачи, и привело к большому количеству разногласий.

Сейчас мы находимся на стадии, когда исследователи в состоянии построить систему, которая имеет доступ всего к горстке кубитов. Эти компьютеры отлично подходят для тестирования аппаратных конфигураций и даже запуска алгоритмов, но как отмечает Time, они невероятно дороги и являются только начальными прототипами того, что предвидят исследователи. Истинный потенциал квантовой системы будет осуществлен только когда сотни или тысячи кубитов могут сосуществовать вместе.

Мы сейчас наблюдаем гонку по созданию первого крупномасштабного универсального квантового компьютера. Есть два сильных, но разных соперника, и неясно, чья идея станет реальностью первой.

Из Теории в практику

"Раньше это была проблема физики. Теперь, это инженерная проблема," - сказал Хенсингер, когда его спросили о меняющемся образе квантовых вычислений. Хотя есть ясное теоретическое понимание того, как квантовый компьютер должен работать, это не упрощает процесс создания.

Трудности носят многогранный характер, и исследователи до сих пор не договорились о том, как должна выглядеть основа квантовых вычислений. Тем не менее, два варианта продвинулись на голову выше остальных.

Одна из них называется "сверхпроводящие кубиты". Она использует реализацию, которая опирается на сверхохлажденные электрические цепи, а также может предложить преимущества в производстве, для создания чипов в больших количествах.

Другой  - "запертые ионы", метод, который менее ограничен внешними факторами, такими как низкая температура, но сталкивается с другими проблемами, такими как управление многочисленных отдельных заряженных атомов внутри вакуума.

"Оба метода, как сверхпроводящие кубиты, так и запертые ионы, довольно хороши сами по себе," говорит Генсингер. "Они оба являются хорошими реализациями, и позволяют создать квантовый компьютер". Он и его команда в Университете Сассекса решили продолжить разработку метода "запертые ионы", ту реализацию, которая была наиболее тщательно продумана.

"Я внимательно исследовал всевозможные варианты реализации и их прогресс," объяснил Генсингер. "Пытался понять их перспективы и трудности". Его исследование показало, что "запертые ионы" были впереди конкурентов. Запертые ионы хорошо изолированы от шума окружающей среды, который может разрушить квантовые эффекты, то преимущество, которое, как надеется Генсингер, позволит проще реализовывать технологию, а также упростить ее понимание другими.

Университет Сассекса основывается на индивидуально-контролируемых напряжениях, которые применяются для реализации квантовых логических операций, составляющих квантовый контур. Эта новая технология представляет собой смелый отход по сравнению с тем, как квантовый проход с запертыми ионами был реализованы в прошлом - здесь используются лазерные лучи - что чрезвычайно упрощает инжиниринг построения крупномасштабного квантового компьютера. Таким образом, процесс остается в области известной методологии, разрабатываемой в течение десятилетий классической вычислительной техники, имитируя традиционную транзисторную архитектуру, а не отказываясь от методологии полностью.

"С помощью этой концепции, намного упрощается построение квантового компьютера", добавляет Генсингер. "Это одна из причин, почему я очень оптимистичен в отношении "запертых ионов".

Следующая, еще более обоснованная причина, почему команда из Центра квантовых технологий в Суссексе выбрала "запертые ионов" - технология работает при комнатной температуре. Сверхпроводящие кубиты этим похвастать не могут.

Другой путь

IBM является одной из крупнейших компаний, конкурирующих в новой области квантовых компьютеров, и ее размер предоставляет явные преимущества. В первую очередь, это вопрос финансирования, что является более простой проблемой для компании стоимостью в миллиарды, нежели академической организации, работающей на пределе своих возможностей.

Хотя деньги это не единственное преимущество, которое IBM использует в сравнении со своими конкурентами. В течение 105 лет работая в бизнесе, множество "сильнейших умов" прошли через ее залы - и, в некоторых случаях, их опыт по-прежнему дорогого стоит. Сочетание ресурсов и талантов привело к выбору технологии "сверхпроводящих кубитов" в качестве основы разработки.

Физическое построение квантового компьютера IBM, состоит из процессора пяти кубитов, размещаемого на печатной плате. "Он расположен в нижней части наших рефрижераторов," сказал Джерри Чоу, менеджер команды Quantum Computing в IBM. "Если вы взгляните на фотографии компьютера то увидите, что они смотрятся гигантскими, почти как пивные кеги."

По всему рефрижератору, контрольные провода несут микроволновые сигналы вниз к чипу и маршрутизируют сигналы через серию усилителей и пассивных СВЧ компонентов. Эти сообщения могут быть интерпретированы с помощью классического компьютера, чтобы позволить команде считывать кубиты состояний системы за пределами рефрижератора.

Между рефрижератором и всей требуемой электроникой, находится установка квантового компьютера IBM, которая занимает более 100 квадратных футов пространства в лаборатории. Это недостаток технологии. Здесь требуется невероятное охлаждение, которое не просто сделать миниатюрным.

Но зачем нужны все эти проблемы, если технология "запертых ионов" предлагает альтернативу?

"Причина, по которой IBM использует "сверхпроводящие кубиты" является своего рода исторической," говорит Чоу. "Существовала программа, которая предполагала использование низкотемпературные классические вычисления Джозефсона". Был продолжающийся интерес среди исследователей, которые получили необходимый опыт, и когда возникла идея сверхпроводящих схем для квантовых вычислений, предыдущая работа на низких температурах помогла компании оказаться на шаг впереди других.

Более того. Выбранная технология IBM хорошо сочетается с ее опытом по созданию компьютерных чипов. "Я думаю, что "сверхпроводящие кубиты" действительно привлекательны, поскольку они микропроизводимы", пояснил Чоу. "Вы можете сделать их на компьютерном чипе, на кремниевой пластине, и шаблонировать с использованием транзисторных процессов на стандартной технике литографии, и в этом смысле это довольно простой путь масштабирования".

Эта схожесть отнюдь не означает, что есть сходство между квантовым компьютером IBM и вашим рабочим ноутбуком - технология очень отличается. Но некоторые элементы процесса производства напоминают методы, которые уже распространены сегодня.

IBM и Университет Сассекса ускоряются к конечной цели создания крупномасштабного универсального квантового компьютера. Но лица, участвующие в исследовании делают это не ради тщеславия. Они хотят делать историю..

Здоровая конкуренция

Для ученого, который работает над квантовыми вычислениями, вопрос того, работает ли конечный продукт на "запертых ионах" или "сверхпроводящих кубитах" не является приоритетом.

"Это как вернуться 50 лет назад, когда компьютеры наполняли целые здания, и спросить, хотите ли вы компьютер Windows, или Mac," говорит Генсингер. "Я просто хочу квантовый компьютер."

Область стала свидетелем падений множества исследовательских групп. Теперь, когда запертые ионы и сверхпроводящие кубиты появились в качестве двух самых вероятных технологий, это выгодно всем заинтересованным сторонам, которые надеются, что крупномасштабный квантовый компьютер не будет связан с перспективой одного конкретного решения.

"Здорово иметь различные группы, которые пробуют разные способы", отметил Генсингер. Хотя есть чувство исполненного долга и причастности к группе, которая добилась значительного прогресса, результаты делятся со всем научным сообществом, так что область в целом способна двигаться вперед.

На данный момент, команда Университета Сассекса объединяет несколько различных экспериментов в одной функционально законченной  системе, которая имеет доступ к горстке кубитов. Этот проект, как ожидается, будет завершен в течение трех-пяти лет. Кроме того, целью проекта является создание крупномасштабного квантового компьютера, который использует множество кубитов, хотя это может занять от 15 до 20 лет. IBM имеет аналогичные временные рамки в своем проекте.

Обе исследовательские группы намерены достичь некоторых достижений в промежуточный период. "В течение следующих нескольких лет, вы будете свидетелем улучшения времени когерентности, вы сможете увидеть как возрастете количество полностью управляемых кубиты ", пояснил Чоу.

Невозможно представить сегодня полностью, как квантовые вычисления будут использованы, зная, что идеальная реализация технологии еще ждет нас в будущем. Но специалисты во всем мире работают с квантовыми алгоритмами, чтобы увидеть, на что способно аппаратное обеспечение.

Источник: smartome.net

Комментарии: