На пути к квантовому суперкомпьютеру

Российский обыватель, очарованный экзотическими космическими экспериментами Илона Маска, вряд ли наслышан о прорывных разработках отечественных ученых в сфере Hi-Tech: нам кажется, что это где-то там, за океаном, в какой-нибудь Кремниевой долине, совершаются великие открытия и создаются новейшие технологии. По счастью, это не так, и России тоже есть чем похвастаться в этой сфере. Сегодня мы расскажем о двух по-настоящему прорывных открытиях ученых Московского института стали и сплавов, приближающих нас к созданию отечественного квантового суперкомпьютера.

А открытия и впрямь впечатляют. Начнем с настоящего прорыва в создании квантовых суперкомпьютеров. Такие суперкомпьютеры уже есть в мире, - например, в Китае недавно презентовали квантовое чудо под названием «Цзючжан», способное в доли наносекунды совершать миллиарды аналитических операций. Это в 10 миллиардов раз быстрее, чем считает похожее устройство от Google, - компьютер Google Sycamore. Создатели китайского суперкомпьютера - группа ученых Шанхайского университета под руководством профессора Лю Чаояна, - показали, как всего за пару минут их создание решило задачу по отбору проб гауссовских бозонов. Классический суперкомпьютер решал бы эту задачу около 2,5 миллиардов лет! Пока ученые даже не знают, где можно использовать подобные компьютеры, практически годные сегодня разве что для scientific computing или в качестве crypto-системы: считают-то они  быстро, но что именно и для чего именно нужно считать с такой скоростью, – вот в чем вопрос.

Напомним, что китайская квантовая система, как и суперкомпьютер Google Sycamore,  основана на принципе суперпозиции, когда вместо битов машина использует кубиты или квантовые биты, способные одновременно находиться во всевозможных состояниях, то есть, в 1 и 0 одновременно, что дает возможность компьютеру экономить время, и не перебирать все возможные варианты состояний. Именно на «джозефсоновских кубитах» работают квантовые процессоры IBM и Google. Однако разработка таких квантовых систем – пока еще малоизученная среда, и задач перед разработчиками таких машин стоит много. Например, ученые до сих пор не смогли преодолеть нестабильную природу кубитов, мгновенно «забывающих» информацию. Ко всему прочему, в результате воздействия окружающей среды на кубит начинается процесс декогеренции, когда нарушаются связи внутри квантовой системы. А значит, пока ученые не найдут способ обеспечить нулевое воздействие внешних факторов на квантовый компьютер, он может остаться только этаким суперарифмометром, умеющим ускоренно вычислять алгебраические, теоретико-числовые и предсказательные алгоритмы.

Возможно, появление полноценных квантовых суперкомпьютеров приблизит новая разработка, созданная группой ученых из НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра и Технологического института Карлсруэ. Как следует из недавней публикации в журнале  «Quantum Information», речь идет о квантовом сенсоре, позволяющем обнаруживать дефекты в работе квантовых систем.

Для начала, еще раз напомним, что квантовый компьютер — это устройство, хранящее и обрабатывающее информацию внутри группы квантовых систем, каждая из которых, - двухуровневая. Это «квантовый бит» или «кубит», от английского «qubit — quantum bit». Самый перспективный тип кубита - сверхпроводящие кубиты на основе контактов Джозефсона, на базе которых, как правило, и разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Ключевой элемент сверхпроводниковых кубитов - джозефсоновский контакт, размеры которого варьируются от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. По сути, речь идет о двух слоях сверхпроводящего металла, разделенных тонким слоем диэлектрика, в качестве которого обычно используют оксид алюминия. Беда в том, что это приводит к появлению в сверхпроводящих кубитах двухуровневых дефектов, напрямую влияющих на качество вычислений. Причина простая, - существующие сегодня технологии не дают стопроцентной точности при создании кубитов. Это  приводит к декогеренции, когда кубиты теряют квантовое состояние, отсюда и огрехи в вычислениях.

Чтобы избежать таких ошибок, российские ученые предложили свой квантовый сенсор, способный определять точное расположение и концентрацию двухуровневых дефектов в кубитных микросхемах, где роль сверхпроводникового кубита выполняет сенсорный датчик, позволяющий избегать дефектов. Если эта идея будет реализована на практике,

появятся и новые возможности для разработки диэлектриков и сверхпроводниковых материалов с малыми потерями, - а это уже большой шаг на пути к практически совершенному квантовому суперкомпьютеру.

Еще одна разработка Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», доведенная до ума совместно с французскими учеными, поможет в создании сверхпрочных сплавов, без которых невозможно появление сложной ультрасовременной техники. До сегодняшнего дня считалось невозможным искусственное создание таких сплавов, поскольку здесь необходимо использовать две разные и практически несовместимые технологии металлообработки. Вот эти технологии и удалось объединить российским и французским ученым, использовавшим метод горячего изостатического прессования. В принципе, это не новая технология, когда изделия обрабатываются с помощью сжатого газа или жидкости в специальных аппаратах высокого давления. Россияне и французы первыми в мире догадались применить горячее изостатическое прессование к материалам с рыхлой поверхностью, что раньше считалось «табу» в сфере металлообработки. Но открытие на то и открытие, что нарушает привычный ход вещей.

Для начала на изделие нанесли тонкий слой из того же металла, что дало эффект герметичной капсулы, способной выдержать горячее изостатическое прессование. Это дало удивительный эффект, - ученым таким образом удалось уменьшить пористость поверхности изделия более чем в два раза, при том, что прочность на сжатие выросла на 25 процентов и многократно выросла прочность металла на разрыв. Разумеется, такая прочность зависит от структуры самого металла: скажем, и без того прочные изделия из титана и «нержавейки» оказались прочнее в семь раз, а вот для куда менее стойкого сплава титана и алюминия прочность на разрыв увеличилась в 28 раз!

По мнению ученых, их метод может использоваться в производстве изделий для медицинской отрасли, электротехники, авиа- и автомобилестроения. Что касается электроники, - тех же смартфонов, например, - то новые сплавы здесь еще не используются, хотя ученые уже говорят о возможности их применения для электротехники высоких токов. А там, глядишь, и до смартфонов дело дойдет.

Источник: www.iamik.ru

Комментарии: