На пороге квантовой революции

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, как и привычный нам классический компьютер, только с совершенно другой системой внутри. В обычном компьютере информация хранится и обрабатывается в виде битов, а в квантовом компьютере — в виде квантовых битов, или кубитов. И у тех, и у других два основных состояния — 1 и 0, которые называются логическими, но кубиты, благодаря явлению квантовой суперпозиции, могут находиться в них одновременно. Проще говоря, бит способен быть или нулем, или единицей, а кубит — и тем и другим сразу. Можно себе представить, с какой скоростью квантовый компьютер будет решать поставленные перед ним задачи, ведь ему не надо действовать методом подбора— он может производить все вычисления параллельно.

Несмотря на очевидное преимущество, квантовые компьютеры пригодны для решения довольно узкоспециализированных задач: к примеру, для разложения больших чисел на простые множители. Мы, конечно, можем в уме разложить, допустим, 55: 11 х 5. Это легко, этому учат в школе. Но как быть, скажем, с числом 99 487? А если число будет еще больше?

Решить эту задачу простому компьютеру и даже суперкомпьютеру достаточно сложно, у них уйдут годы, даже десятки и тысячи лет, в зависимости от числа. На этом основаны практически все современные системы шифрования, в том числе и блокчейн. Если ученые построят квантовый компьютер, то благодаря алгоритму Шора, который был разработан Питером Шором еще в 1994 году, задача разложения огромных чисел будет вполне осуществима, следовательно, и системы шифрования окажутся уязвимы.

Другая сфера интереса — квантовое моделирование. С помощью квантового компьютера ученые смогут рассчитывать молекулярные взаимодействия и химические реакции, которые являются квантовыми по своей природе, поскольку в них участвуют микрочастицы. Это откроет новые возможности  в создании новых материалов и лекарств.

В этих технологиях также заинтересованы крупнейшие IT-компании: IBM, Intel, Google. Например, у IBM уже есть квантовый компьютер с открытым облачным доступом, но пока он не имеет новых возможностей по сравнению с обычными компьютерами.

Почему же ученые все еще не создали полноценный квантовый компьютер?

Еще в 1995 году американский физик-теоретик Давид ДиВинченцо вывел пять критериев, которым должна соответствовать физическая система, чтобы на ее основе можно было сделать квантовый компьютер.

Во-первых, она должна состоять из множества кубитов, то есть двухуровневых квантовых систем (простейших моделей квантовых объектов). Нужно иметь возможность добавлять эти квантовые системы, то есть увеличивать число кубитов до макроскопических масштабов — сотня, тысяча или даже больше.

Во-вторых, нужно уметь подготовить заданное начальное состояние этой квантовой системы: например, сделать, чтобы все биты изначально были в состоянии 0. Это не такая простая задача, потому что процессы при этом должны быть диссипативными, система при рассеивании энергии, поступающей извне, должна прийти в определенное конечное состояние независимо от начальных условий. При этом невозможно было бы использовать идеальную двухуровневую квантовую систему, которая была бы полностью изолирована от внешнего окружения и взаимодействовала бы с внешними полями только управляемым образом. К счастью, всегда есть релаксация, то есть процесс установления равновесия в физической системе, так что этому критерию удовлетворять не так сложно.

В-третьих, нужно уметь выполнять отдельные преобразования квантовых состояний этих квантовых систем. Причем преобразования должны быть двух типов: однокубитовые — когда мы берем одну квантовую систему и управляемо преобразуем ее квантовое состояние; и двухкубитовые — когда состояние одной квантовой системы преобразуется в зависимости от того, в каком состоянии находится другая квантовая система. «Сейчас реализация точных двухкубитовых операций — основной камень преткновения во всех существующих системах квантовых вычислений. Научиться их делать — одна из самых трудных задач», – говорит старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Междисциплинарного квантового центра Новосибирского государственного университета доцент НГУ и НГТУ Илья Игоревич Бетеров.

В-четвертых, состояния квантовых систем не должны разрушаться, то есть нужны большие времена «жизни» квантовых состояний. Это тоже достаточно серьезная проблема, особенно если речь идет о взаимодействии с внешним окружением, потому что, например, в твердотельных реализациях квантовых компьютеров такие взаимодействия приводят к быстрому разрушению состояния квантовой системы.

В-пятых, нужно уметь надежно измерять конечное квантовое состояние системы, то есть всего регистра. «Здесь, — утверждает Илья Бетеров, — методы в целом разработаны, и больших проблем не возникает».

Исходя из критериев ДиВинченцо, перед учеными стоит несколько проблем, которые нужно решить для создания квантового компьютера. Первая — это выбор системы, на которой можно было бы его построить. Сейчас в мире сложился определенный консенсус: использовать сверхпроводящие кубиты, основанные на переходах Джозефсона (явление, когда сверхпроводящий ток протекает через тонкий слой диэлектрика, разделяющий сверхпроводники). Плюс этой технологии в том, что она твердотельная, но при этом достаточно «шумная» — точность операций недостаточно высока, чтобы реализовывать полноценные квантовые алгоритмы и решать сложные задачи.

Другое направление, набирающее популярность, — ультрахолодные ионы. Их преимущество перед сверхпроводниками в том, что ионы могут достичь действительно высокой точности двухкубитовых операций. Есть и значительный минус — такой квантовый компьютер невозможно будет масштабировать. Для решения поставленных задач полноценному компьютеру может понадобиться гораздо больше ста кубитов, тогда как для ультрахолодных ионов десятки — уже предел, потому что цепочка ионов подвержена колебаниям, и система легко может просто стать неустойчивой.

Третье направление, которым занимаются сибирские ученые в ИФП СО РАН, — это квантовые компьютеры на холодных атомах. Оно не такое популярное (помимо российских ученых это всего четыре группы в мире: две в США, одна во Франции и одна в Китае), но перспективное. Илья Бетеров считает, что в теории холодные атомы — это идеальная система: и масштабирование возможно до неограниченных размеров, и точность квантовых операций высокая. Однако пока эти преимущества не удалось продемонстрировать экспериментально.

Вторая проблема, препятствующая созданию полноценного квантового компьютера, — это время жизни кубитов, то есть время сохранения квантового состояния (любого состояния системы между нулем и единицей). У холодных атомов, словно в доказательство их идеальности, не возникает проблем, потому что информация записывается в сверхтонкие подуровни основного состояния атомов щелочных металлов, а они живут секунды и даже десятки секунд, тогда как время выполнения квантовых операций с атомами занимает микросекунды.

Третья проблема — это недостаточная точность квантовых операций. «Если бы мы умели хорошо их делать, — говорит Илья Бетеров, — то могли бы за время жизни атомов осуществлять 106 квантовых операций, что достаточно для реализации сколь угодно сложных квантовых алгоритмов».

Чтобы производить точные операции с двумя атомами, нужно кратковременно приводить их в высоковозбужденное состояние, но это влияет на время их жизни. Пока наиболее перспективным является метод дипольной блокады, предложенный еще в 2001 году Михаилом Лукиным. Он и его группа продемонстрировали результаты по выполнению точных квантовых операций с холодными атомами в Гарвардском университете (США).

Решения поставленных проблем ищут ученые по всему миру. Сейчас группа из ИФП СО РАН участвует в проекте по созданию прототипа российского квантового компьютера, который инициировал Московский государственный университет. Там выбрали два направления: холодные атомы и линейные резонаторы с фотонами. Преимущество фотонов состоит в том, что их квантовыми состояниями довольно легко управлять, и они [квантовые состояния] практически не разрушаются. Одна из проблем с  фотонами состоит в их быстром распространении, и получается, что такой прототип квантового компьютера будет трудно перепрограммировать, так как все квантовые операции задаются расстановкой разных элементов на оптической схеме. Московские ученые занимаются решением этой проблемы, и, возможно, фотоны станут четвертым мировым направлением в разработке квантовых компьютеров. В Москве также разрабатывают массив 20 на 20, то есть 400 кубитов (в США с холодными атомами уже создали квантовый регистр, в котором 121 кубит массив 11 на 11). 

Сибирские же ученые взяли на себя работу над точностью квантовых операций с одним или с парой атомов, чтобы потом уже успешно работать с целыми массивами.

Илья Бетеров считает, что сейчас нет необходимости дублировать исследования и разрабатывать квантовый компьютер в Сибири; наоборот, нужно скоординировать усилия и сделать российский квантовый компьютер сообща.

Можно сказать, ученые стоят на пороге квантового превосходства: вычисления квантового компьютера еще не лучше, чем у суперкомпьютера, но уже близки к этому. Дальнейшие прогнозы разнятся: нынешний этап может закончиться тем, что все технологии упрутся в свой потолок, и никакого значительного продвижения не будет; или же произойдет технологический скачок вперед. «Это наиболее вероятный вариант, — считает Илья Бетеров, — и квантовое превосходство будет продемонстрировано уже в течение ближайших нескольких лет».

Однако в бытовой жизни мы вряд ли сможем воспользоваться квантовыми компьютерами, по крайней мере, в обозримом будущем. «Если это возможно, то только в результате следующего скачка технологий. Думаю, в течение ближайших пяти лет станет ясно, случится этот скачок или нет, — говорит Илья Бетеров. — Хотя мне представляется, что квантовый компьютер не станет заменой обычного, потому что пока всё указывает на то, что квантовые компьютеры пригодны и интересны для решения очень узкоспециализированных научных задач. Однако могут возникать совершенно неожиданные побочные технологии, и загадывать очень трудно, делать прогнозы тут дело неблагодарное».

В 2018 году НГУ открыл набор на магистерскую программу по квантовой информатике. Теперь студенты будут иметь возможность участвовать в этой работе.

Полина Рылишкина, студентка ФЖ НГУ

Фото: Юлии Поздняковой, с сайта pixabay.com