Одни специалисты говорят: «Да, возможно!», другие утверждают — «Нет!», третьи задаются вопросом — «А зачем?». «Появление квантового компьютера — интересная задача, — говорит старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров, выступая на встрече научного кафе «Эврика!». — Речь идет о том, можно ли сделать вычислительный аппарат, основанный на совершенно других принципах, чем действующие сейчас. Эта задача требует в каком-то смысле появления новых разделов математики, а также новых методов в ряде областей физики, и является междисциплинарной».
В настоящее время интерес к квантовому компьютеру, в первую очередь, как к научной проблеме, обострился. А дело в следующем: предполагается, что быстродействию обычных машин скоро будет положен предел, и он связан именно с существованием квантовых ограничений. Предельный размер транзисторов — около 5 нанометров, и если мы будем дальше уменьшать этот параметр, то электроны в проводниках смогут тунеллировать из одного в другой, и это приведет к вычислительным ошибкам. На бОльших же расстояниях вероятность такого эффекта крайне мала. «Это означает, что закон Мура, который выполнялся на протяжении десятилетий, перестанет работать, — отмечает Илья Бетеров. — Идея же квантового компьютера состоит в том, чтобы превратить ограничения в преимущество. То есть, не пытаться найти способ избавиться от негативного влияния законов физики, а наоборот воспользоваться ими».
Биты и кубиты
В обычной ЭВМ мы оперируем битами информации. То есть, память машины состоит из элементов, каждый из которых может находиться в двух возможных состояниях — либо нуля, либо единицы, между которыми происходят переключения, и, таким образом, можно выполнять логические операции. В квантовом компьютере работа идет с квантовой суперпозицией. Как объясняет Илья Бетеров, если говорить совсем просто, это бит, находящийся в обоих положениях одновременно. «Самое важное — когда мы производим действия над суперпозицией в состоянии единицы, то получается, что мы одновременно производим операцию и над нулем тоже. Таким образом, если в классическом регистре может быть одновременно записано только одно число, то в квантовом, состоящем из соответствующих битов — 2 в степени n, где n – это число самих битов, — комментирует ученый. — Такая возможность позволяет реализовать несколько алгоритмов, причем, важно, что они относятся к решению задач, которые с точки зрения задач классической информации являются невычислимыми».
Количество систем, с которыми научились работать люди, достаточно большое: это могут быть атомы в оптических решетках, сверхпроводники, заряженные ионы в ловушках, квантовые точки, молекулы, где наблюдается ядерно-магнитный резонанс, фотоны. Практически со всеми ними объектами можно делать вычисления. «Люди получили возможность решать близкие по физическому смыслу задачи, используя разные экспериментальные техники и методы, и это привело к появлению нового общего языка в квантовой физике. Мне это кажется одним из замечательных достижений», — отмечает Илья Бетеров.
Чтобы создать квантовый компьютер, во-первых, нужно иметь систему, которая состоит из большого количества квантовых битов, а также возможность неограниченно (но до какого-то разумного масштаба) увеличивать ее размеры. Во-вторых, мы должны уметь управлять состоянием этой композиции: например, до начала вычислений все квантовые биты перевести на один квантовый уровень в состояние логического нуля. При этом необходимо помнить: квантовые состояния имеют тенденцию к разрушению, как сами по себе, так и если они взаимодействуют со внешним окружением. «Если мы возьмем атом, то у его возбужденного состояния есть конечное время жизни, и важно суметь сделать большое количество операций, пока это время длится. Такие вещи являются принципиально физически неустранимыми ограничениями, — говорит Илья Бетеров. — Кроме того, мы должны уметь реализовывать определенный класс логических действий, которые являются универсальными. Ну, и наконец, после того, как над нашим регистром были произведены все манипуляции, нам надо измерить его квантовое состояние (этот процесс — вещь достаточно нетривиальная, и его необходимо сделать без ошибок)».
Там, где всегда мороз
В ИФП СО РАН ученые занимаются квантовыми компьютерами с использованием холодных атомов. «Дело в том, что если мы рассматриваем тот или иной вид квантового бита, то все они взаимодействуют со своим окружением. По-хорошему, компьютер должен быть твердотельным, но именно в твердом теле труднее всего изолировать состояние кубитов, — говорит Илья Бетеров. — А если говорить о холодных и нейтральных частицах, то в них можно довольно долго хранить в информацию, и это серьезное конкурентное преимущество, по крайней мере, на нынешней стадии развития этой проблемы, ведь именно разрушение квантовых состояний — страшная головная боль всех, кто занимается такой информатикой».
Для осуществления какой бы то ни было работы с атомами нужно, в первую очередь, их поймать. Достаточно очевидная проблема заключается в следующем: это очень маленькие «существа», кроме того, при комнатной температуре они летают с крайне высокими скоростями. «На первом этапе используются магнито-оптические ловушки», — поясняет Илья Бетеров. По мнению физика, это достаточно простая вещь: шесть лазерных пучков, светящие навстречу друг другу в вакуумную камеру, и две катушки с магнитным полем, по которым течет ток в противоположных направлениях. «В результате в центре поле равняется нулю, и там скапливаются холодные, замедлившиеся атомы. Дальше их можно захватывать лазерным излучением, — объясняет специалист. — Однако после того, как мы предварительно понизили температуру частиц, они все-таки еще продолжают двигаться, и, помимо этого, взаимодействуют с охлаждающим лазерным излучением. Мы выключаем его, а затем с помощью нерезонансного лазерного излучения захватываем их либо в оптические решетки, либо в дипольные ловушки. Можно сделать стоячую волну, и если она будет двухмерной, то получится картинка, напоминающая решетку для яиц, и в каждом узле будет по одному атому. Вот такая система и является прототипом квантового регистра».
Самое холодная точка в Сибири — Институт автоматики и электрометрии СО РАН, это единственное место, где есть установка по Бозе-Эйнштеновской конденсации атомов, где все частицы рубидия, которые захватываются, охлаждаются настолько, что оказываются в одном квантовом состоянии.
Тот самый единственный
В университете Висконсин-Мэдисон (США) есть единственный в мире квантовый компьютер на холодных нейтральных атомах, созданный группой ученых, которая является мировым лидером в своей области. «Они сделали следующую вещь, — рассказывает Илья Бетеров, — во-первых, первыми продемонстрировали возможность выполнения двухкубитовых операций, когда состояние одного элемента меняется в зависимости от того, в каком состоянии находится другой. Следующий шаг, ими сделанный — повышение точности операций и масштабирование. Сейчас создана система, в которой можно захватывать 49 кубитов (массив 7 на 7), и в этой новой установке ученые научились производить однокубитовые действия: то есть, они подсвечивают лазерным излучением любой q-бит, и измеряют вероятность найти его на верхнем или нижнем квантовом уровне в зависимости от времени».
Это не единственная работа, которой занимается группа. В частности, также реализуется следующая схема: сверхпроводниковые кубиты совмещаются с атомными, поскольку вторые долго живут, а первые позволяют быстро делать квантовые операции. Как отмечает Илья Бетерев, здесь в настоящее время достигнут наибольший прогресс. «Я практически уверен в том, что такой квантовый компьютер у них рано или поздно заработает», — говорит исследователь.
Екатерина Пустолякова
Фото: Юлия Позднякова
