С 1940-х годов классические компьютеры совершенствовались с головокружительной скоростью. Сегодня вы можете купить наручные часы с большей вычислительной мощностью, чем современный компьютер размером с комнату полвека назад. Эти успехи, как правило, достигаются благодаря способности инженеров-электриков создавать транзисторы и схемы все меньшего размера и упаковывать их еще ближе друг к другу.

Но это сокращение в конечном итоге достигнет физического предела — по мере приближения компьютерной электроники к атомному уровню станет невозможно управлять отдельными компонентами, не затрагивая соседние. Классические компьютеры не могут бесконечно совершенствоваться при использовании обычного масштабирования.

Идея квантовых вычислений, зародившаяся в 1980-х годах, может однажды стать эстафетной палочкой в ​​новую эру мощных высокоскоростных вычислений. В этом методе используются квантово-механические явления для выполнения сложных вычислений, невозможных для классических компьютеров. Теоретически квантовые вычисления могут решать проблемы за считанные минуты, на которые классическим компьютерам потребовались бы тысячелетия. Google уже продемонстрировал способность квантовых вычислений превосходить лучшие суперкомпьютеры в мире при выполнении определенных задач.

Но это все еще рано — квантовые вычисления должны устранить ряд научных и инженерных препятствий, прежде чем они смогут надежно решать практические задачи. Более 100 исследователей из Массачусетского технологического института помогают разрабатывать фундаментальные технологии, необходимые для масштабирования квантовых вычислений и превращения их потенциала в реальность.

Что такое квантовые вычисления?

Для начала стоит понять основные принципы работы классических компьютеров, подобных тому, на котором вы читаете эту историю. Классические компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичных разрядах, каждый из которых имеет значение 0 или 1. Типичный портативный компьютер может содержать миллиарды транзисторов, которые используют разные уровни электрического напряжения для представления любого из этих двух значений. Хотя форма, размер и мощность классических компьютеров сильно различаются, все они работают на одной и той же базовой системе двоичной логики.

Квантовые компьютеры принципиально разные. Их квантовые биты, называемые кубитами, могут содержать значение 0, 1 или одновременную комбинацию двух состояний. Это благодаря квантово-механическому явлению, называемому суперпозицией. Квантовая частица может действовать так, как если бы она находилась в двух местах одновременно. Частицы также могут быть "запутаны" друг с другом, поскольку их квантовые состояния становятся неразрывно связанными. Суперпозиция и запутанность позволяют квантовым компьютерам решать некоторые виды задач экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры.

Различные группы исследователей указывают на конкретные приложения, в которых могут проявить себя квантовые компьютеры. Например, они отлично подходят для факторинга больших чисел, что является жизненно важным инструментом в криптографии и цифровой безопасности. Они также могли моделировать сложные молекулярные системы, что могло бы помочь в открытии лекарств. В принципе, квантовые компьютеры могли бы дать толчок во многих областях исследований и промышленности — если бы только мы могли создать надежные системы подобного класса.

Как построить квантовый компьютер?

Квантовыми системами нелегко управлять из-за двух связанных проблем. Во-первых, состояние суперпозиции кубита очень чувствительно. Незначительные нарушения окружающей среды или дефекты материала могут привести к ошибкам кубитов и потере их квантовой информации. Этот процесс, называемый декогеренцией, ограничивает полезное время жизни кубита.

Вторая проблема заключается в управлении кубитом для выполнения логических функций, часто достигаемых с помощью точно настроенного импульса электромагнитного излучения. Этот процесс манипуляции сам по себе может генерировать достаточно случайных электромагнитных помех, чтобы вызвать декогеренцию. Чтобы масштабировать квантовые компьютеры, инженеры должны будут найти баланс между защитой кубитов от потенциальных помех и возможностью манипулировать ими для вычислений. Этот баланс теоретически может быть достигнут с помощью ряда физических систем, хотя две технологии в настоящее время наиболее перспективны: сверхпроводники и захваченные ионы. В сверхпроводящем квантовом компьютере в качестве кубита используется поток парных электронов, называемых "куперовскими парами", через цепь без сопротивления. 

Уильям Оливер, доцент кафедры электротехники и информатики Массачусетского технологического института, научный сотрудник лаборатории Линкольна и директор центра Массачусетского технологического института, объясняет:

Сверхпроводник особенный, потому что ниже определенной температуры его сопротивление падает», - говорит . для квантовой инженерии.

В компьютерах инженеры используют кубиты, состоящие из сверхпроводящих алюминиевых цепей, охлажденных до абсолютного нуля. Система действует как ангармонический осциллятор с двумя энергетическими состояниями, соответствующими 0 и 1, когда ток течет по цепи в одну или другую сторону. Эти сверхпроводящие кубиты относительно большие, около одной десятой миллиметра по каждому краю — это в сотни тысяч раз больше, чем у классического транзистора. Объем сверхпроводящего кубита позволяет легко манипулировать вычислениями.

Но это также означает, что Оливер, и ему подобные инжинеры, постоянно борется с декогеренцией, ища новые способы защиты кубитов от шума окружающей среды. Его исследовательская миссия состоит в том, чтобы сгладить эти технологические изломы, которые позволят создать надежные сверхпроводящие квантовые компьютеры.

Мне нравится проводить фундаментальные исследования, но мне нравится делать это практичным и масштабируемым способом. Квантовая инженерия соединяет квантовую науку и традиционную инженерию. Чтобы сделать квантовые вычисления реальностью, потребуются наука и инженерия.

Еще одно решение проблемы манипулирования кубитами при одновременной защите их от декогеренции — это квантовый компьютер с захваченными ионами, который использует отдельные атомы - и их естественное квантово-механическое поведение — в качестве кубитов. По словам Кьяверини, атомы создают более простые кубиты, чем переохлажденные схемы.

Кубиты Кьяверини — это заряженные ионы, а не нейтральные атомы, потому что их легче локализовать и содержать. Он использует лазеры, чтобы контролировать квантовое поведение иона. Сами ионы удерживаются на месте за счет приложения напряжения к массиву электродов на кристалле. Изменяя напряжения, прикладываемые к электродам, Кьяверини может перемещать ионы по поверхности чипа, обеспечивая многокубитовые операции между отдельно захваченными ионами.

Итак, хотя сами кубиты просты, тонкая настройка системы, которая их окружает, является огромной проблемой. Вам необходимо разработать системы управления — например, лазеры, напряжения и радиочастотные сигналы. Помещение их всех в чип, который также улавливает ионы, — вот что инжинеры считают ключевым фактором.

Большинство экспертов сходится во мнении, что инженерные проблемы, с которыми сталкиваются квантовые компьютеры с захваченными ионами, обычно связаны с управлением кубитами, а не с предотвращением декогеренции; обратное верно для квантовых компьютеров на основе сверхпроводников. И, конечно же, существует множество других физических систем, которые исследуются на предмет их применимости в качестве квантовых компьютеров.

Каков следующий шаг?

Если вы копите на покупку квантового компьютера, то придержите коней. Все ученые согласны с тем, что квантовая обработка информации выйдет на коммерческий рынок неспешно, и на её развертывание уйдут десятилетия.

Тем временем Кьяверини отмечает еще одно применение разрабатываемой им технологии захваченных ионов: высокоточные оптические часы, которые могут помочь в навигации и GPS. Со своей стороны, Оливер представляет связанную классико-квантовую систему, в которой классическая машина могла бы выполнять большую часть алгоритма, отправляя выбранные вычисления для квантовой машины, прежде чем ее кубиты декогерируются. В более долгосрочной перспективе квантовые компьютеры могут работать с большей независимостью, поскольку улучшенные коды исправления ошибок позволяют им функционировать бесконечно.

За квантовыми вычислениями будущее уже несколько лет. Но теперь технология, похоже, достигает точки перелома, переходя от чисто научной проблемы к совместной научно-технической проблеме — "квантовой инженерии" — этому сдвигу отчасти способствовали Чиаверини, Оливер и десятки других исследователей из Центра исследований Массачусетского технологического института. Quantum Engineering (CQE) и в других местах.