Нобелевская премия по физике 2012 года была присуждена Сержу Арошу (Франция) и Дэвиду Вайнленду (США) за эксперименты по разработке основ манипулирования квантовыми системами. Многие эксперты связывают их достижения с перспективой так называемых квантовых компьютеров. О полученных эффектах и устройствах на их основе рассказывает заведующий лабораторией нелнейных резонансных процессов и лазерной диагностики Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН доктор физико-математических наук Игорь Ильич Рябцев.
- То, за что присудили Нобелевскую премию в этом году, достаточно близко к тому, чем занимается наша лаборатория. Формулировка премии – за прорывные экспериментальные методы, которые позволяют манипулировать единичными квантовыми системами. Квантовый компьютер, о котором говорят в связи с этими результатами, еще не создан, и то, чем занимаются нобелевские лауреаты, это некоторые важные шаги к его реализации. Вайнленд занимается ионными ловушками, которые позволяют создавать упорядоченные структуры из одиночных ионов. В принципе, они могут представлять собой кубиты квантового компьютера. В сфере интересов Ароша - резонаторная квантовая электродинамика, изучение взаимодействия одиночных атомов с фотонами и методы манипуляции ими.
Квантовый компьютер, в отличие от классического, использует квантовые биты информации (кубиты), которые могут находиться не просто в определенном положении (спин вверх, спин вниз), но и в некоторой квантовой суперпозиции. Для создания квантового компьютера необходимо собрать своего рода регистр, содержащий много кубитов, около тысячи. Основная задача на сегодняшний день – это научиться управлять как отдельными кубитами, так и их ансамблями. Если рассматривать нейтральные атомы, которые могут быть захвачены в стоячую световую волну, каждый из них может представлять собой кубит. Чтобы выполнять квантовые операции, требуется возбуждать их на короткое время в так называемое высокое ридберговское состояние, когда они начинают между собой взаимодействовать. Кроме группы Ароша, манипуляциями с ридберговскими атомами в мире занимается еще минимум 5 исследовательских коллективов, в том числе и наша лаборатория. Некоторый недостаток работ Ароша и его коллег состоит в том, что они используют горячие атомы, а мы – охлажденные, с температурой порядка 100 микрокельвин.
Дэвид Вайнленд экспериментирует с одиночными ионами в электростатических ловушках, роль будущих кубитов квантового компьютера играют здесь ионы. Вершина достижений группы Вайнленда – это создание специального чипа, который может являться прототипом простейшего квантового компьютера. Здесь есть сложная система проводников, управляющие цепи, магнитные и электрические поля, сюда же можно адресовать лазерное излучение. В настоящее время Вайнленд демонстрирует манипуляции с 10 ионами, австрийская группа – с 64, а для квантового компьютера необходимый минимум, повторюсь, это 1.000 кубит. Пока мысль идет по пути комбинирования воедино нескольких ловушек и прорыва в области создания квантового компьютера не достигнуто.
Квантовый компьютер, заметим, сегодня не рассматривается как массовое устройство для обыденного употребления. Идея нацелена на увеличение скорости решения некоторых классов чисто математических задач. Самый известный пример – алгоритмы факторизации больших чисел, зависящих от длины числа. Можно назвать алгоритмы Гровера при поиске в больших базах данных, другие вычисления большого масштаба. В повседневной жизни квантовый компьютер нам не поможет, он нацелен на получение чисто исследовательских результатов. Размер же его зависит не от количества кубитов, а от массивности устройств управления.
Подготовил: Андрей Соболевский
Фото: 1 – ЦОС СО РАН; 2,3 – из презентации И.И.Рябцева
