Квантовые компьютеры: Пути увеличения кубитов

«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.

Квантовый компьютер не первый год манит исследователей своим колоссальным потенциалом. Принцип квантового параллелизма позволяет X квантовым битам находиться сразу в 2X состояний, а выполнение логических операций над целой группой таких кубитов (квантовым регистром) — аналогичным образом ускорить вычисления, против классической машины.

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).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

рисунок 1 Каждый кубит может находиться в суперпозиции «классически» разрешённых состояний (слева), потому пространство состояний регистра, состоящего всего из трёх кубитов (правая картинка), радикально «больше» единственно возможного (на каждый момент времени) состояния регистра, построенного из трёх битов классических (иллюстрации Wikimedia Commons, quantiki.org)

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 D-Wave Systems. Вообще же за несколько лет существования компания прошла путь от прототипов, содержащих 7 кубитов, до чипов с 48 кубитами, повествует BCBusiness. А сейчас в отработке и на самых первых тестах числится 128-кубитный чип с кодовым названием Rainier. 1024-кубитный же процессор, обещанный к концу 2008-го, — так и не создан. Но теперь канадцы заверяют, что покажут его к концу года нынешнего.

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 AQUA@home (Adiabatic QUantum Algorithms), в рамках которого разрабатываются и изучаются новые алгоритмы для квантовых вычислений на адиабатических системах (Adiabatic quantum computation).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

рисунок 2 Rainier – опытный прототип 128-кубитного чипа от D-Wave Systems. Опуская детали, каждый кубит тут представляет собой крошечную петлю из ниобия, находящегося в сверхпроводящем состоянии, по которой может курсировать ток по часовой или против часовой стрелки (это базовые состояния 0 и 1) (фото D-Wave Systems)

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 (University of Oxford), Йеля (Yale University) и Орхуса (Aarhus Universitet). Они предлагают создать квантовый чип, основанный на миллиардах спинов, из которых можно организовать сразу сотни кубитов.

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 3, 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.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

рисунок 3 Схема предлагаемого устройства. В его основе – дорожки, создающие микроволновый резонатор, внешние поля и армия частиц, несущих «согласованные» спины электронов (иллюстрация J.H. Wesenberg et al)

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 статье в Physical Review Letters.)

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 (Centre for Nanoscience and Quantum Information) впервые в мире провели вычисления на оптическом квантовом компьютере. И не важно, что сам этот компьютер был относительно примитивным, а задачка — проста.

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 (Shor's algorithm).
Эту задачку намного быстрее мог бы решить любой школьник, — заявил один из авторов опыта Альберт Полити (Alberto Politi), — Но это было действительно важно для подтверждения принципа.


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».

Например, уже известен способ, как организовать в квантовом компьютере проверку данных, придумано устройство, которое по требованию выдаёт строго один электрон, на кончике пера предсказана возможность создания атомов без температуры, также учёные провели квантовую телепортацию атома на один метр, научились хранить числа в атомарном паре и построили усилитель света на микрочипе.

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.

Я сам занимаюсь именно кубитами -квантовохимическое моделирование биметаллических и прочих частиц со спин-кроссовером и пр. квантовые компы будут. Может быть еще и при нашей земной жизни.