Мнения

Дайте нам кубит, и мы перевернем весь мир

Начинаем рассказ о квантовых битах, их применении и гонке физических платформ для квантовых вычислений

Фото: «Новая газета»

Этот материал вышел в № 112 от 12 октября 2015
ЧитатьЧитать номер
Политика

Начинаем рассказ о квантовых битах, их применении и гонке физических платформ для квантовых вычислений

Чипы со множеством сверхпроводящих кубитов
Наглядное представление классического и квантового бита
Концепция ионной ловушки, за эксперименты с которой в 2012 году была вручена Нобелевская премия по физике

В начале двадцатого века физика погрузилась в глубины материи до атомарного масштаба и отказалась от классических законов, переставших в этом масштабе работать. Рождение квантовой механики как совместного детища многих гениальных ученых — от Эйнштейна и Планка до Бора и Шредингера — предопределило возникновение современного высокотехнологичного общества. Атомная энергия, транзисторы, лазеры, компьютеры и даже интернет — все это плоды так называемой первой квантовой революции. Но на очереди уже вторая. За последние двадцать лет ученые научились создавать и манипулировать объектами микромира с невероятной точностью, подготовив почву для разработки новых устройств, использующих в своей работе фундаментальные свойства квантового мира: квантовые компьютеры, квантовая криптография, квантовая оптика и квантовая информация… Но начать нужно с «кирпичиков», лежащих в основе всего этого, — квантовых битов.

Квантовые биты (кубиты) были предложены еще в 80‑х годах двадцатого века знаменитым физиком Ричардом Фейнманом в качестве квантового аналога классических битов — тех самых нулей и единиц, кодирующих информацию в обычных компьютерах.

У кубитов два основных преимущества — суперпозиция (возможность находиться во множестве состояний между «0» и «1» одновременно) и запутанность (возможность связываться между собой и образовывать общее состояние), которые обеспечивают квантовый параллелизм. Дальше можно разработать специальные квантовые алгоритмы, которые будут способны решать сложные для классических компьютеров вычислительные задачи практически мгновенно.

Несколько таких алгоритмов были разработаны в 90‑х годах двадцатого века. Например, алгоритм Шора умеет молниеносно раскладывать большие числа на простые множители (что активно используется в современной криптографии), а алгоритм Гровера — быстро находить записи в гигантских базах данных. Кроме этого, с помощью кубитов можно эффективно моделировать сложные квантовые системы (например, молекулы новых лекарств) и решать задачи оптимизации.

Дело за малым — создать квантовый компьютер, способный оперировать кубитами и исполнять нужные нам алгоритмы. Здесь и возникают сложности. Чтобы создать кубит, существующий в воображении физиков‑теоретиков, необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых нулей и единиц. Сам Фейнман предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны (что было в дальнейшем реализовано), но первыми физически созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы.

Затем новые варианты посыпались как из рога изобилия: ядра атомов, электроны, фотоны, сверхпроводящие кольца — какие только объекты не пытались приспособить ученые для создания желанных двухуровневых систем. За первое десятилетие экспериментов были созданы квантовые процессоры с несколькими кубитами (вплоть до 7), на которых были успешно запущены существовавшие квантовые алгоритмы. Теперь вопрос заключался в следующем — какая из предложенных систем является наиболее перспективной для создания полноценного квантового компьютера с тысячью кубитов, способного превзойти имеющиеся на рынке классические компьютеры (или даже суперкомпьютеры), оперирующие миллиардами классических битов.

Окончательного ответа на этот вопрос пока нет: несколько кубитных архитектур по-прежнему продолжают борьбу за роль лучшей платформы для квантовых вычислений. Наиболее перспективной из них по ряду причин являются сверхпроводящие кубиты на джозефсоновских переходах. Если опустить технические подробности, то они представляют собой микроскопические кольца из сверхпроводника, с несколькими специальными разрывами (предложенными в 60‑х годах английским физиком Брайаном Джозефсоном и названными в его честь). Сверхпроводящий ток, циркулирующий по такому кольцу, ведет себя как один большой квантовый объект и обладает ровно двумя необходимыми базисными состояниями, определяемыми направлением тока по или против часовой стрелки.

Чем же так хороши сверхпроводящие кубиты? Во‑первых, их размер достаточно велик (микрометр и больше), поэтому ими гораздо проще манипулировать по сравнению с микроскопическими атомами и ионами или тем более электронами. Во‑вторых, процесс их изготовления во многом повторяет процесс изготовления современной печатной электроники, а, значит, существующие промышленные мощности могут быть без особых усилий модифицированы. Наконец, системы таких кубитов достаточно легко масштабируются, т. е. задача изготовления сотен кубитов на одном чипе, необходимых для продуктивной работы квантового компьютера, не представляет особых сложностей.

Первый реально работающий сверхпроводящий кубит на подобной платформе был изготовлен на рубеже XX и XХI веков, и с тех пор развитие шло непрекращающимися темпами.

Евгений ГЛУШКОВ —
специально для «Новой»

 

Продолжение следует:

  • чего уже удалось достигнуть и когда же появится квантовый компьютер;

  • как весной этого года был изготовлен первый российский сверхпроводящий кубит.

Теги:
наука
Рейтинг@Mail.ru

К сожалению, браузер, которым вы пользуйтесь, устарел и не позволяет корректно отображать сайт. Пожалуйста, установите любой из современных браузеров, например:

Google ChromeFirefoxOpera