Российские ученые сделали важное открытие в области квантовых вычислений
Фото: Shutterstock.
Группа российских исследователей сделала значительное открытие в области квантовых вычислений. Их статья была опубликована в ведущем журнале Advanced Quantum Technologies, причем она даже попала на обложку издания. В наше время, когда некоторые исследователи из России вынуждены покидать страну, это событие имеет особую ценность.
Статья называется «Твердотельный кубит как встроенный контроллер для неклассических состояний поля». Чтобы лучше понять её суть, давайте разберёмся в терминах. Авторами работы стали Igor Solovyev, доктор наук, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ, и Николай Кленов, профессор физфака МГУ.
Что это значит?
Мы привыкли к ноутбукам и смартфонам, однако давайте взглянем на это с новой стороны.
Что если я скажу, что электрический компьютер чуть более продвинут, чем обыкновенные счеты? В самом деле. В счетах считаются костяшки. Которые вы двигаете энергией своих рук. Понимаете принцип? Есть внешняя энергия. И есть некий объект, который меняет свое состояние (костяшка перемещается), и так считается.
В электрическом (обычном) компьютере электрический ток (внешняя энергия) меняет состояния полупроводниковых элементов (транзисторов и им подобных). Транзисторы по сути ничем не отличаются от костяшек. Был закрытым – стал открытым. Им управляют электрические токи.
Конечно, технологически электрический компьютер – космос по сравнению с счетами. Первые компьютеры, пока транзисторов не придумали, были на лампах. Лампочку очень маленькой не сделаешь. Лампочку нужно нагревать. Однако-то монструозные ЭВМ прошлого – это шкафы и комнаты. Потребляющие кучу энергии. Транзистор можно сделать очень маленьким. В смартфонах он состоит по сути из горстки атомов. Отсюда компактность. Но чудеса технологий и инженерии не отменяют факт, что в основе лежит довольно-таки примитивный принцип.
Путь фотон
А что если заставить считать не «грубо-материальные объекты» (костяшки счет, транзисторы), а сами электроны? Или фотоны?
Итак, мы подбираемся к пониманию концепции квантового компьютера.
Фотон – квант света – может пребывать в разных состояниях. Улавливаете аналогию? Да, как транзистор. Фотон может быть синего, а может красного (длина волны). Фотон может быть поляризованным или не поляризованным (т.е. есть поля в «его» волне колеблются, грубо говоря, то в одной, то в другой плоскости).
Например, счет мы уже поняли: чтобы что-то вычислить, нам нужно нечто, меняющее свое состояние. Была в счетах костяшка слева – мы ее перебросили направо. Был транзистор открыт – мы его закрыли. Вот бы управлять фотонами, они и будут считать.
Однако! Человек заставляет свет проводить вычисления! Разве это не круто?
Принцип Фрэнкштейна
Возможность поменять состояния фотон вы можете у себя дома.
Возьмите 3D очки, которые, возможно, завалялись у вас после посещения кинотеатра. Чаще всего они сделаны на основе поляризованных фильтров. Видите, полупрозрачные темноватые «стеклышки». Они не из стекла, а – из полимерной пленки, волокна которой вытянуты в одном направлении.
Когда в такую пленку попадает фотон, он «плутует», и через неее проходят только те, плоскости колебаний которых совпадают с волнами. Такие фотоны называются поляризованными. Итак, на очки падает обычный свет, из них выходят поляризованные. Вы только что вмешались в фотонный мир на квантовом уровне!
Но если все так просто, где же квантовые компьютеры? Пока что – в опытных образцах и проектах. А в чем проблема-то?
Проблема на самом деле две:
Во-первых, мы с вами вроде хотели максимально уйти от всего «грубо-материального». От костяшек и транзисторов. Но вот поляризационный фильтр… Это физический объект. Его надо как-то двигать, наверняка, электричеством. Похоже, у нас получается квантово-механический Фрэнкштеин, и это все равно, что питать компьютер паровым двигателем.
Во-вторых, мир фотонов, квантовых объектов, не столь линейно-прямолинеен, как наш мир. Например, пройти сквозь стену можно разве что в фильме «Чародеи» – «вижу цель – не вижу препятствия». Фотон с некой (ненеулевой) вероятностью преодолевает непрозрачный барьер, потому что в мире котов Шредингера таково возможно. Фотон может, «зная», что ему предстоит путешествие через поляризационный фильтр, перепрыгнуть через него целенаправленно, как бы заранее поменять свои свойства, что значит «знать». В некотором роде, он меняет состояния одной частицы, а тут же меняется состояние другой, хотя она далеко от меня, и я ее не манипулировал.
Но в неявно-тонком обсуждении о плане сложного квантового компьютера – это ведь вся сумма всех состояний. Нужно только управление – управление и получение результата. Вот будут прежде собираемые вот такие сведения – и простой реальный вывод о результатах за 10-20 лет. То есть должны учитывать много важного.
— Пусть квантовый компьютер, по идее, даст нам возможность, — но какой результат будет этого курса? — говорит Николай Кленов.
Совсем не просто открытие, — но и смешение, скажем так, -847.
Во многом это напоминание <завтрака> к обычному компьютеру в виде, например, мощной звукозвуковой карты или графического процессора, поясняет он.
— Про квантовый компьютер можно думать как об ускорителе для определенного круга задач, по аналогии, например, с графическим ускорителем для задачи обработки графики. Графический ускоритель не заменяет собой центральный процессор компьютера, но дополняет его. В стратегии развития технологии квантовых вычислений IBM квантовый процессор обсуждается как возможная перспективная часть суперкомпьютеров наряду с имеющимися в нем вычислительными блоками. Предполагается, что в процессе вычислений для квантовой обработки информации будут выделяться подходящие для этого подзадачи из общих задач, рассчитываемых на суперкомпьютере, — говорит Игорь Соловьев.
Все это нежно охлаждает ожидания: в популярной литературе пишут, что квантовые компьютеры потенциально мощнее обычных. Пока нет, нам лишь обещают светлое будущее. Однако, налицо нюанс. Скорее всего, они будут невероятно хороши для некоторых задач. Грубо говоря, если для решения требуется «интуиция», если необходимо «сделать выбор», а не тупо обрабатывать все вариации – квантовый компьютер самое то. А вот простым общением «цифра за цифрой», как это делают обычные компьютеры, их лучше не озадачивать. Пока что ученые предполагают совмещать электричные, обычные, суперкомпьютеры и квантовые модули. Что-то делает классика, что-то – квантовая часть.
— Квантовый компьютер, в виду специфики используемых в нем вычислительных алгоритмов, ориентированных на квантово-механическую элементную базу, сможет значительно ускорить решение некоторых задач в разных областях, например, моделирование квантовых систем в области химии и материаловедения, задачи оптимизации в области финансов, логистики, ИТ.
— Все это сильно изменяет подходы к задачам, решаемыми обычными компьютерами, и все это может быть, — говорит Николай Кленов.
— Квантовые компьютеры способны решать задачи, к которым, как и ожидалось, не будут представлены результаты работы такого компьютера. В этом смысле они могут производить результаты.
Тем не менее, время для них, определенно, еще надо.
Каждое открытие несет в себе надежду. И это открытие имеет большой потенциал для создания новых технологий, которые в будущем изменят подходы к вычислениям и научным исследованиям.
Появление статьи на обложке международного журнала – это значительное достижение для российских ученых, которые продолжают развивать квантовые технологии.
