Квантовые компьютеры обещают совершить в нашем мире настоящий переворот. В борьбе за их создание участвуют технологические гиганты, многочисленные стартапы и университетские лаборатории. Однако до сих пор никому не удалось достичь «квантового превосходства» — точки, когда квантовый компьютер сможет решить проблему, с которой не способны справиться классические электронные машины. Ключевым элементом квантовых вычислений является кубит. Для того чтобы заставить квантовые компьютеры работать в полную силу, разные группы используют разные кубиты.
Если учесть все необходимое для бесперебойной работы оборудование, по своему размеру система квантовых вычислений может сравниться с гаражом, вмещающим два автомобиля. При этом состоящий из кубитов процессорный блок едва ли сможет закрыть кончик пальца.
Современные смартфоны, ноутбуки и суперкомпьютеры состоят из миллиардов крошечных электронных процессорных элементов — транзисторов. Они либо включены, либо выключены, что означает 1 или 0 — двоичный язык, который компьютеры используют для выражения и расчета всей информации.
Кубиты, по сути, представляют собой квантовые транзисторы. Они могут существовать в двух четко определенных состояниях — к примеру, верхнем и нижнем — 1 и 0. Но они также способны находиться в двух этих состояниях одновременно, и это свойство увеличивает их вычислительную способность. При этом два или более кубита могут быть запутаны — странное квантовое явление, при котором состояния частиц коррелируют, даже если частицы разнесены друг от друга на огромные расстояния. По словам квантового физика из Принстонского университета Натали де Леон, именно эта способность полностью меняет способ проведения вычислений и делает квантовые компьютеры такими мощными. Более того, простое наблюдение за кубитом может изменить его поведение, и эта особенность, по словам де Леон, способна принести еще большее квантовое превосходство.
«Кубиты — довольно странные. Но эту странность можно использовать для разработки новых типов алгоритмов, способных на вещи, не подвластные классическим компьютерам», — говорит Натали де Леон.
Для изготовления кубитов ученые используют различные материалы — от наноразмерных кристаллов до дефектов в алмазах и частиц, которые являются собственными античастицами. У разных типов кубитов есть свои плюсы и минусы, и говорить о том, какой кубит лучше, пока рано. Разберемся в их разнообразии.
Сверхпроводящий кубит
Чаще всего в заголовки новостей попадает так называемый «сверхпроводящий» кубит. Именно его выбрали для своих экспериментов Google и IBM, две крупнейшие компании, которые занимаются разработкой квантовых компьютеров. Самый большой работающий компьютер Google включает в себя 53 сверхпроводящих кубита, компьютер IBM — 433. Кубиты Google изготовлены из алюминия; IBM использует смесь двух наиболее часто применяемых для кубитов этого типа материалов — алюминия и ниобия.
Сверхпроводящий кубит обычно представляет собой крошечную петлю или металлическую проволоку, функционирующую как атом, который, по сути, является квантовым объектом. Два состояния кубита соответствуют двум энергетическим состояниям этого искусственного атома: его низшему энергетическому состоянию (известному как основное) и верхнему (возбужденному). Они инициируются и управляются с помощью микроволновых импульсов.
Сверхпроводящий кубит стал одним из лидеров квантовых вычислений отчасти потому, что его можно производить и эксплуатировать при помощи уже существующих технологий, применяемых для изготовления электронных транзисторов. По своей ширине кубитный процессор сравним с толщиной человеческого ногтя. Малый размер очень важен, поскольку квантовому компьютеру, способному изменить мир, потребуется от одного до десяти миллионов кубитов.
Однако такие качества как небольшой размер и низкая стоимость сверхпроводящих кубитов не присущи необходимому для их работы оборудованию. Чтобы функционировать как атом, сверхпроводящий кубит должен быть охлажден до температуры в -273 градуса по Цельсию. Для этого потребуется рефрижератор растворения — прибор, значительно превышающий по размеру домашний холодильник. При этом приобретение и эксплуатация рефрижератора обойдется значительно дороже. Кроме того, для каждого кубита необходимо как минимум два провода и другое оборудование.
Сейчас ученые способны поддерживать в рефрижераторе растворения от нескольких десятков до нескольких сотен сверхпроводящих кубитов, в их планах — дойти до тысяч. Для поддержания миллионов связанных кубитов инженерам придется либо создать более крупные рефрижераторы (задача, над которой они работают), либо квантово соединить (то есть запутать) сигналы сверхпроводящих массивов кубитов, размещенных в разных холодильниках, что пока недостижимо.
Кубит на захваченных ионах
Популярной альтернативой сверхпроводящему кубиту считается кубит с захваченным ионом — заряженный атом, который ведет себя как крошечный стержневой магнит. Два состояния иона соответствуют двум полюсам этого магнита, например, верхнему и нижнему, и их можно установить, воздействуя на ион лазерным лучом, не превышающим по толщине человеческий волос. В последние годы появилось несколько компаний, ориентированных на данную технологию. Среди них — Alpine Quantum Technologies (у которой есть компьютер с 24 кубитами), IonQ (компьютер с 29 кубитами) и Quantinuum (компьютер с 32 кубитами). AQT использует в своих исследованиях ионы кальция, IonQ и Quantinuum экспериментируют с ионами иттербия.
Внешне компьютеры с захваченными ионами у каждой компании выглядят по-разному, но все они включают в себя одинаковые элементы: вычислительный чип размером с десятицентовую монету или чуть больше, цилиндрическую вакуумную камеру вокруг этого чипа размером с большую пивную банку, несколько лазеров и детектор света. Чип удерживает ионы и захватывает их с помощью электрических полей в пустотах между крошечными печатными схемами. Лазеры проходят через окна вакуумной камеры, охлаждая ионы и управляя кубитами.
Пустота пространства вокруг ионного кубита означает, что его состояние (0, 1 или оба) остается относительно свободным от влияния разрушающих частиц воздуха. В результате такой кубит способен хранить свою квантовую информацию в течение нескольких минут и даже часов — большой прогресс по сравнению с несколькими сотнями микросекунд у сверхпроводящего кубита. Такой длительный срок отлично подходит для хранения квантовых данных.
В то же время компьютеры с кубитами на захваченных ионах испытывают сложности с масштабируемостью. Каждый чип способен включать в себя не более нескольких десятков ионов, в противном случае взаимодействия между ионами становятся слишком сложными для контроля. Для достижения отметки в миллионы кубитов потребуется перемещение ионов между модулями, чего ученые пока не достигли. Кроме того, необходимо соединить чипы в нескольких вакуумных камерах.
Кубит на нейтральном атоме
Для кубита с нейтральным атомом масштабируемость не представляет особой проблемы. Квантовый компьютер с нейтральным атомом похож на компьютер с заряженным атомом, только в нем атомы на месте удерживает не электричество, а свет. Для создания световых ловушек на камеру с нейтральными атомами направляется через линзу лазерный луч. Линза расщепляет проходящий через нее луч на множество световых пятен. Каждое пятно способно удерживать атом на месте. Аналогичное расщепление происходит и с другими используемыми для управления кубитами лазерными лучами.
Ученые создали массивы, содержащие от двух до 1000 кубитов на нейтральном атоме. У компании QuEra имеется квантовый компьютер с 256 нейтральными атомами рубидия. Линзы и лазеры следующего поколения, вероятно, доведут это число до 10 000 и более.
У кубитов на нейтральном атоме достаточно долгое время жизни, что позволяет им сохранять информацию в течение нескольких десятков секунд. Но одна из причин, по которой кубиты с нейтральным атомом не вышли в гонке квантовых компьютеров на первое место, это скорость. На данный момент они способны выполнять несколько вычислений в секунду. Этот результат сравним с возможностями квантовых компьютеров с захваченными ионами, но в 1000 раз медленнее систем на сверхпроводящих кубитах.
Кроме того, несмотря на простоту создания кубитов с нейтральными атомами, они сложны в эксплуатации. Выполнение сложных вычислений требует воздействия на атом тщательно рассчитанной последовательности лазерных импульсов. Ученые пока не придумали, как эффективно и быстро управлять большим количеством кубитов с нейтральными атомами.
Таким образом, несмотря на большие достижения в области квантовых компьютеров, до создания идеальной системы еще далеко. Причем управление кубитами — это только часть задачи. Более сложная часть плана — исправление ошибок, возникающих по мере развития квантовых вычислений. Пока они происходят значительно чаще, чем в классических системах. Это происходит, когда состояние кубита меняется из-за внешнего воздействия. В качестве раздражающего фактора может выступать тепло, космическая радиация или чихание человека на другом конце света. Проблема создания квантового компьютера гораздо сложнее, чем склонны признавать ученые.