Разработан квантовый чип на сто миллиардов спинов
"Они быстро решают задачки, над которыми обычные машины думают миллиард лет". "С их помощью злоумышленники могут взломать любые военные шифры". Таков диапазон – от дифирамбов до страшилок – обывательских представлений о квантовых компьютерах. И хотя прикладных таких машин, считай, что и нет, эксперименты и исследования в этой области становятся всё интереснее и интереснее.
Но теория — теорией, а вот построение квантовых компьютеров в металле — задачка не из лёгких. Казалось бы, физически кубиты можно реализовать просто массой способов, выбирай любой.
Подойдут всякого рода ловушки (оптические в частности) для квантовомеханических объектов (например ионов), которые могут не только удерживать частицы, но и заданным образом менять их квантовые параметры и выполнять измерение (считывание информации).
В ряде опытов показано, что для построения квантовых регистров можно воспользоваться трансмонными кубитами, нейтральными атомами или фотонами.
Увы, "громоздкость", а также требовательность к условиям среды, оборудования, способного реализовать всего один кубит, не идёт ни в какое сравнение с классическими микросхемами с их миллионами транзисторов на считанных сантиметрах площади. И хотя с ростом числа кубитов в регистре производительность квантовой машины растёт очень быстро, пока даже близко квантовые процессоры не могут подобраться по скорости к суперкомпьютерам, щёлкающим очень ёмкие задачи. Есть ли тут пути для прогресса?
Как известно, можно охладить проводники в схеме до сверхпроводящего состояния и запустить в них электроны (вернее, куперовские пары), придавая им при помощи магнитных полей определённые состояния. Тем самым создаются кубиты, а также выполняются квантовые операции над ними.
По такому принципу (если упрощать) работают экспериментальные квантовые процессоры канадской компании
У многих экспертов работы и успехи D-Wave вызывают некоторый скепсис, во многом благодаря тому, что компания не спешит раскрывать в рецензируемых материалах все тонкости своих новинок. Тем не менее D-Wave оптимистична в отношении развития этой линии квантовых компьютеров. При решении определённого класса проблем, уверяют канадцы, Rainier будет в 100 раз быстрее, чем классический компьютер класса "за $5 тысяч".
А ещё компания запустила проект по распределённым вычислениям
Как видим, за два года работ D-Wave сумела шагнуть от схемы с 16 кубитами к 128-кубитному варианту. Не столь уж большой темп. И ведь по мере усложнения квантового чипа трудности будут накапливаться как снежный ком. Потому любые свежие идеи в этой сфере воспринимаются в мире с большим интересом.
Ныне революцию вместо эволюции предлагает совершить группа учёных из Оксфорда (
Незачем упаковывать частицы в индивидуальные ловушки с отдельным управлением, рассудили авторы этой работы, давайте создадим один единственный резонатор на чипе, в котором будет "находиться" 100 миллиардов электронных спинов. Судя по рисунку (его мы приводим ниже), физически они будут "упакованы" в молекулы-фуллерены, но исследователи говорят, что материал можно варьировать. Чип будет охлаждён до криогенных температур, так что электроны в нём образуют куперовские пары. А соединённое с резонатором трансмонное окно (туннельный переход между сверхпроводниками) должно использоваться для выполнения операций.
Но как всё же привести столь крупный ансамбль электронов в атомах в нужное состояние и как ими управлять? Тут есть сразу несколько аспектов.
"Единственный электрон (точнее, спин) слабо взаимодействует с внешней средой, — рассказывает один из авторов работы Янус Визенберг (Janus Wesenberg) из Оксфорда, — это делает его хорошей ячейкой квантовой памяти, но затрудняет перевод в возбуждённое состояние (запись) или считывание.
В новом регистре мы используем тот факт, что коллективное взаимодействие ансамбля миллиардов спинов и микроволнового резонатора в значительной степени зависит от так называемого эффекта сверхизлучения (излучение синхронного коллектива атомов, рассматриваемых как единая квантовомеханическая система, – прим. ред.). Это делает возможным передачу микроволнового фотона (представляющего какой-нибудь записываемый кубит) из резонатора в ансамбль спинов за несколько десятков наносекунд, в сравнении с долей секунды для одного спина. Когда фотон поглощён ансамблем, он живёт там как делокализованное возбуждение".
Хорошо, но ведь нам нужно добиться ситуации, в которой разные кубиты содержат электроны с разными волновыми функциями (то есть с разными суперпозициями нулей и единичек)?
Тут вступает в действие ещё один фактор. Направление спина частицы можно задать сильным внешним магнитным полем, объясняют учёные. А набор возбуждений в столь сложной системе может быть описан как спиновые волны внутри чипа, — говорит Янус. Чтобы их изменить, нужно приложить к системе градиент магнитного поля. А чтобы одновременно в системе существовало много отличных мод таких спиновых волн, надо при записи кубитов использовать принцип, схожий с голографией — добавляют физики.
Совмещение этих приёмов, рассчитали авторы исследования, позволит не только внутри сверхпроводникового резонатора создать сразу сотни кубитов, но и проводить над ними "оптом" однобитные и двухбитные квантовые логические операции. (Детали этого проекта изложены в
А главным преимуществом системы авторы считают тот факт, что в ней можно управлять сразу чудовищным числом спинов, без необходимости "возни" с каждым спином по отдельности. При этом время когерентности спинов (сохранения сцепленного состояния частиц) может достигать десятков миллисекунд. Это довольно много по нынешним представлениям.
Сейчас учёные в Йеле и Оксфорде ведут дело к тому, чтобы показать работоспособность новой системы не на бумаге, а на практике. И если когда-нибудь чип на сотни кубитов заработает, его вполне можно будет считать аналогом суперкомпьютеров в мире квантовых вычислений.
А пока "монстр из миллиардов спинов" не построен, стоит посмотреть на другую интересную работу. На этот раз — практическую. Специалисты из Центра нанонауки и квантовой теории информации университета Бристоля (
В качестве входных сигналов в чипе использовались четыре отдельных фотона. Они представляли четыре кубита. А сама схема квантового компьютера заключалась в системе микроскопических кварцевых волноводов, размещённых на кремниевом чипе. Сам рисунок пересечений этих волноводов кодировал нужную учёным последовательность квантовых операций. И каков же был результат?
Оптический квантовый компьютер "попросили" найти простые множители числа 15, ответ был — 3 и 5. При этом использовался квантовый алгоритм Шора (
Поиск простых сомножителей лежит в основе современных схем шифрования, в том числе — в системах связи через Интернет. Так что в перспективе квантовый компьютер тут может сослужить большую службу. Ведь это только для простого примера применять квантовый алгоритм — странно. Если массив чисел, требующих обработки, окажется очень велик, преимущество квантовых чипов в скорости проявит себя.
В последние годы учёные не раз совершали небольшие шаги, приближающие эру практически пригодных квантовых компьютеров. Новые идеи и технологии созревают в разных институтах и университетах, но когда-нибудь всё это "выстрелит".
Никто вроде бы не думает всерьёз, будто квантовые компьютеры возьмут да и заменят все обычные процессоры в некоем светлом будущем. Но квантовые системы вполне могут отвоевать крупную нишу в научных исследованиях в области физики, биологии и химии и фармацевтики, а ещё — криптографии и ряде других областей. Тогда, наверное, удивить или напугать обывателя "непонятной диковинкой" уже не получится. К квантовым причудам, поставленным на службу человеку, попросту привыкнут.