Источник фото: ФИАН
тестовый баннер под заглавное изображение
Есть люди, которые до сих пор считают квантовые технологии чем-то сродни алхимии или даже эзотерике, не верят, в общем, в эти технологии. А между тем квантовые технологии являются одной из главных тем в беседах главы государства с главами госкорпораций и Российской академии наук наряду с микроэлектроникой, новыми материалами и освоением космического пространства. Значит, есть все-таки в них смысл и нам придется понять, хотя бы в довольно упрощенном смысле, что это такое.
Неделимая «волна-частица»
Справочники говорят нам, что квант – это мельчайшая, неделимая порция какой-либо физической величины, например, энергии или света. То есть, квант света – это один фотон, квант материи — это атом, квант заряда —это заряд электрона… Кванты ведут себя как частицы и одновременно как волны, обладая свойством находиться в нескольких состояниях одновременно. Например, электрон в атоме не имеет фиксированной траектории вращения вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Мы можем измерить его энергию или скорость, но невозможно точно указать его местоположение, не разрушив его состояние.
Такое состояние неопределённости называется суперпозиция. Чтобы наглядно объяснить этот принцип, австрийский физик Эрвин Шредингер в середине 1930-х предложил мысленный эксперимент: кота помещают в темный ящик вместе со смертельным ядом, который с некоторой вероятностью мог сработать или не сработать. Поэтому, пока коробка не открыта (то есть, система не остановлена) мы не знаем, мертв кот или жив, а следовательно он находился в суперпозиции «жив-мертв».
Другой фундаментальной особенностью квантовой механики является квантовая запутанность. Она означает, что состояния двух или более частиц могут быть настолько тесно взаимосвязаны, что их нельзя описать по отдельности, независимо от расстояния между ними. Условно говоря, они «чувствуют» друг друга на большом расстоянии и изменение одной частицы тут же влечет за собой изменение другой. Очень приблизительно описать этот принцип помогает пример с носками. Представьте, что вы купили в магазине новую пару, не различимых между собой носков. Один носок отдали другу, который уехал во Владивосток, а второй оставили себе. Как понять, какой носок оказался во Владивостоке – левый или правый? Никогда не поймете, пока не совершите определенное действие со своим, то есть, не наденете его. Если наденете свой на правую ногу, то во Владивостоке носок автоматически окажется левым.
Описанные принципы используются для создания квантового компьютера. Например, в классическом компьютере элементарной единицей информации является бит, который может находиться только в одном из двух состояний — «0» или «1» («выключено» или «включено»). В квантовом же компьютере аналогом бита является кубит, который может находиться не только в состоянии «0» или «1» , но и в их суперпозиции, то есть одновременно представлять оба значения с определёнными вероятностями. Используя суперпозицию и запутанность, квантовые компьютеры теоретически способны решать определённые задачи значительно быстрее, чем самые мощные классические суперкомпьютеры.
Исчезнет ли двоичная система?
Несмотря на то что идея о квантовых вычислениях была высказана еще в 1980 году советским ученым Юрием Маниным и американцем Полом Бениоффом, стартовала квантовая гонка лишь с 2005-го (Россия присоединилась к ней в 2020-м). Как говорят разработчики, понятие «квантовый компьютер» пока находится в новорожденном состоянии и должно пройти очень много времени, прежде чем он «повзрослеет».
Однако уже сейчас многие заявляют, что, достигнув своей зрелости, это чудо техники и человеческой мысли будет отличаться от современного больше, чем современный компьютер от… счет. Если деревянные счеты и наш привычный ПК – это, как ни крути, звенья одной двоичной системы, то квантовый будет существенно отличаться, позволяя человеку выйти в совершенно другое пространство задач и решений, как в свое время создание космического корабля позволило нам оторваться от Земли и выйти в космос. Вспомним теперь, какой процент людей на заре космической эры верил в то, что это когда-нибудь произойдет?
Предполагается, что «космическое» ускорение вычислений на квантовом компьютере поможет создать персональные лекарства, разгадать секреты работы головного мозга, создать самые надежные системы защиты передаваемых данных, то есть шифрования. Но при этом квантовый компьютер не заменит тот, на котором написана эта статья. Почему? Да потому что у него будут другие задачи, выходящие за рамки обычного компьютера, как задачи космической ракеты выходят за рамки нашего земного скоростного поезда.
Илья Семериков демонстрирует самый мощный на сегодняшний день 50-кубитный ионный квантовый компьютер. Фото Научная Россия. Ольга Мерзлякова.
Архитекторы вычислений
Перспективным сейчас считается развивать квантовые компьютеры, основанных сразу на четырех разных квантовых платформах: на нейтральных атомах, фотонах, сверхпроводниках и ионах. Россия, как ведущие страны в этой области, тоже развивает эти направления. Специалисты уверены, что разнообразие позволит нам достичь максимум результатов в разных областях вычислений. Не исключено также, что со временем выяснится, что какой-то из данных типов развития – тупиковый, или что возникнет новое перспективное направление.
Наиболее развитой технологией сегодня считается технология создания кубитов на основе сверхпроводниковых схем. Рекордсменом в этом классе считается 1121-кубитный квантовый процессор Condor от компании IBM.
Но само по себе количество кубитов, рассказывает разработчик российского 50-кубитный российского квантового компьютера на ионах Илья Семериков, еще мало о чем говорит. В квантовом компьютере особо ценится качество вычислений, минимизация ошибок, и по этим признакам наш компьютер почти не уступает 1121-кубитному, а вот для достижения точности 56-кубитного ионного квантового компьютера Quantinuum H2-1нам придется поработать.
В российском вычислителе, по словам Семерикова, в роли кубитов используется цепочка из ионов иттербия. Технология ионных кубитов основана на использовании электромагнитных полей для захвата одиночных ионов в пространстве. Эти частицы «подвешены» в некой ловушке и остаются практически неподвижными, что снижает внешние помехи и позволяет удерживать их квантовое состояние достаточно длительное время. В ионной ловушке частицы охлаждаются почти до температуры абсолютного нуля и их состоянием можно манипулировать при помощи лазерных импульсов. Последовательность этих импульсов и составляет основу квантовых алгоритмов.
Итак, в российском компьютере кубитов меньше, чем в американском, однако такое малое количество единиц информации окупается высокой достоверностью операций. Фиановцы опробовали оригинальную идею, «завязав» в качестве одной единицы вычисления не простую кубитную (двухуровневую квантовую систему), а сразу четырехуровневую – кудитную, которая эффективней от 2 до 6 раз в зависимости от заложенных алгоритмов вычисления.
Чемпионы тонких состояний
Для некоторых алгоритмов именно такая архитектура алгоритмов оказалась более выгодной, за счет чего еще в прошлом году наши ученые осуществили так называемые алгоритмы Гровера, которые предполагают многократное ускорение алгоритмов поиска несортированных, неупорядоченной баз данных. В ходе эксперимента они обучили при помощи квантового компьютера нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр.
А совсем недавно ученые Физического института отличились тем, что первыми в мире продемонстрировав на своем квантовом компьютере многокубитную запутывающую операцию «гейт Тоффоли» с максимальным числом кубит, о чем на днях вышло сообщение в престижном физическом журнале Physical Review Letters.
