Что такое квантовая манипуляция
Фотоны, кванты и состояние Фока: манипуляции с радиочастотным резонатором на квантовом уровне
Мир квантовых технологий такой же богатый и запутанный, как история целой цивилизации. Одни открытия в этой области нас могут удивить, другие вводят в состояние интеллектуального ступора. А все потому, что квантовый мир живет по своим законам, и ему частенько нет никакого дела до классической физики. Мы привыкли связывать слово «квантовый» с вычислениями, которые можно производить быстрее и больше. Однако это далеко не единственное применение квантовых технологий. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором квантовая механика позволила ученым создать архитектуру, с помощью которой можно манипулировать радиочастотным резонатором на квантовом уровне. Звучит просто, но на деле достижение этого было сопряжено с рядом «головоломок». Какие именно аспекты квантовых наук использовали ученые, как они их реализовали и что именно из этого вышло мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.
Основа исследования
Первым делом ученые задают себе вопрос — какое самое слабое поле в квантовой механике? Ответ — однофотонное. И, казалось бы, обнаружение и манипулирование одним единственным фотоном не должно быть трудной задачей. Однако на мегагерцовых частотах это достаточно проблематично ввиду того, что имеются значительные тепловые флуктуации даже при криогенных температурах.
В данном же исследовании ученые использовали гигагерцовый сверхпроводящий кубит для прямого наблюдения квантования мегагерцевого радиочастотного электромагнитного поля. Использование кубита позволяет получить контроль над тепловым излучением, охлаждением до основного квантовомеханического состояния и стабилизацией состояния Фока* фотона.
Состояние Фока* — состояние в квантовой механике, когда количество частиц точно определено.
Декогеренция* — процесс нарушения согласованности колебательных/волновых процессов (когерентности) ввиду взаимодействия квантовомеханической системы и окружающей среды.
Логично, что подобную проблему можно решить путем применения более холодных систем для извлечения энтропии, создаваемой окружающей средой. На практике такое решение именуется термическим резервуаром.
Ученые применили технологии резервуаров в своей квантовой электродинамической схеме, что позволило эффективно охлаждать и манипулировать электромагнитными полями на квантовом уровне.
В своем исследовании ученым удалось получить контроль над термически возбужденным мегагерцовым фотонным резонатором, что позволило наблюдать квантование радиочастотных электромагнитных полей. А манипуляция с квантовым состоянием была достигнута за счет резервуаров. Также ученым удалось стабилизировать однофотонное и двухфотонное состояния Фока.
В основе всего лежит считывание и управление резонатора посредством дисперсионной связи фотонов резонатора и сверхпроводящего кубита. Однако, когда имеется гигагерцовый кубит и мегагерцовый фотон, связь (соединение) между ними в традиционной квантовой электродинамической схеме будет крайне слабой. Но и это препятствие ученые преодолели, предложив новый метод соединения.
Результаты исследования
Изображение №1
Посредством созданной учеными схемы возникает очень сильное соединение между кубитом и фотоном (1А). Схема состоит, помимо прочего, из следующих элементов:
LJ — контакт Джозефсона, 41 нГн (наногенри);
CL — конденсатор, 11 пФ (пикофарад);
L — спиральный индуктор, 28 нГн.
При низких частотах паразитная ёмкость* спирального индуктора незначительна, а у альтернативной схемы (1В) частота первого перехода будет равна ωL=2π х 173 МГц. Если же имеют место быть гигагерцовые частоты, CL становится коротким замыканием, а емкость спирального индуктора CH = 40 фФ (фемтофарад). В таком случае параллельное соединение (1С) LJ, L и CH имеет частоту первого перехода в 2π х 5.91 ГГц. Подобная конфигурация схем позволяет обеим моделям совместно использовать контакт Джозефсона.
Паразитная ёмкость* — нежелательная ёмкостная связь, которая возникает между элементами электронной (в данном случае в электродинамической) схеме.
Данный контакт обладает индуктивностью, которая изменяется в зависимости от колебаний проходящего по нему тока. Ввиду этого резонансная частота высокочастотной (HF) моды смещается в соответствии с числом возбуждений в низкочастотной (LF) моде и наоборот.
Подобное кросс-керровское взаимодействие количественно определяется числом смещений за 1 фотон: х = 2√AHAL, где ангармоничность* HF и LF мод равна AL = h х 495 кГц и AH = h х 192 МГц.
Ангармоничность* — отклонение системы от гармонического осциллятора.
Кросс-керровское взаимодействие проявляется как расщепление числа фотонов в измеренном микроволновом отражении S11.
Как видно из графика 1D, ввиду сильного кросс-керровского взаимодействия квантовые колебания состояния Фока фотона (|0⟩, |1⟩, |2⟩…) в резонаторе приводят к сдвигу частоты перехода кубита.
Собственные состояния системы были помечены как |j, n⟩, где j = g, e, f, … является возбуждением высокочастотной моды, а n = 0, 1, 2… — низкочастотной моды.
Амплитуда пиков n пропорциональна Pnкext / кn, где Pn — положение уровня числа фотонов в низкочастотной моде, а кext / кn — разница между внешним соединением кext/2π = 1.6 МГц и шириной кn на пике n. В соответствии с распределением Бозе-Эйнштейна высот пика Pn, ученые определили среднее значение числа фотонов nth= 1.6, что соответствует модовой температуре в 17 мК (милликельвин).
Статистика Бозе-Эйнштейна* — распределение идентичных частиц с нулевым или целочисленным спином по энергетическим уровням в состоянии термодинамического равновесия.
Разрешение пиков индивидуальных фотонов обусловлено условием кn ≪ х/ħ. Соответственно ширина пиков будет увеличиваться с увеличением значения n: кn = к (1+4nth (H)) + 2γ(n+(1+2n)nth). В данной формуле к/2π = 3.7 МГц является уровнем диссипации высокочастотной моды, а γ/2π = 23 кГц — уровнем диссипации низкочастотной моды.
В таком случае условие кn ≪ AH/ħ делает из высокочастотной моды трансмон (сверхпроводящий зарядовый кубит). Это позволяет селективно активировать переходы |g, n⟩⟷|e, n⟩ и |e, n⟩⟷|f, n⟩.
А вот с низкочастотной модой все иначе. Ширина линии у нее всего несколько МГц, ввиду ограничения со стороны теплового расширения, значительно большего чем AL. Это делает из нее своего рода гармонический осциллятор.
Процесс перехода частиц между состояниями осуществлялся через нелинейность контакта посредством накачки схемы на ωp частоте. В данном процессе возможно взаимодействие только 4 фотонов единовременно, когда 1 фотон в резонаторе (низкочастотная мода) аннигилируется, а на стороне трансмона образуется уже 2 фотона.
Изображение №2
Такой метод подкачки в сочетании с большой разницей в частотах релаксации мод позволяет охлаждать мегагерцовый резонатор до его основного состояния. Схема процесса показана на 2А.
Охлаждение будет только в том случае, если скорость термализации резонатора будет ниже скорости перехода возбуждений из |g, 1⟩ в |g, 0⟩. Есть и второй вариант охлаждения — посредством перехода |g, 1⟩⟷|e, 0⟩. Однако этот процесс является двухфотонным, а потому требует большей мощности подкачки.
На изображении 2В показаны измерения S11 (микроволновый отклик) при разных уровнях мощности охлаждающей подкачки. Как мы видим из этого графика самый лучший результат достигается, когда уровень населенности основного состояния равен 0.82.
Если же населенность использовать как функцию кооперативности*, то будет видно, что при более высокой (сильной) кооперативности начнется резкое снижение показателя населенности основного состояния. Следовательно, процесс охлаждения будет невозможен в такой ситуации.
Кооперативность* — изменения состояния системы, когда взаимодействие между ее элементами усиливается с течением процесса изменения таким образом, что ускоряет этот процесс.
Ученые отмечают три основных фактора, которые ограничивают охлаждение и приводят к тому, что мы видим на графике 2С — чем выше кооперативность, тем хуже дела обстоят с населенностью.
Первый фактор это термическая населенность кубита. Подкачка переводит населенность из |g, 1⟩ в |f, 0⟩, однако возникает и обратный процесс из-за того, что уровень f обладает термической населенностью (хоть и очень малой) — 0.006. Из этого следует такое соотношение: P1/P0 ﹥Pf/Pg (пунктирная линия на 2С).
Второй фактор — во время сильного соединения (связи) подкачка гибридизирует состояния |g, 1⟩ и |f, 0⟩. Если g превышает скорость распада 2k, то населенность состояния |g, 1⟩ начнет переход в |f, 0⟩ и вернется обратно в |g, 1⟩, не имея при этом времени на распад до состояния |e, 0⟩.
Изображение №3: обход ограничения внерезонансного воздействия многопоточной накачкой
Обойти этот ограничивающий фактор можно «массовостью», то есть одновременно запускать несколько процессов охлаждения |g, n⟩⟷|f, n-1⟩. Чем больше таких потоков, тем меньше мощности подкачки требуется для достижения необходимой населенности основного состояния. Следовательно, влияние внерезонансного воздействия снижается.
Корме того, можно объединить разные процессы, |g, n⟩⟷|f, n-1⟩ и |g, n⟩⟷|f, n+1⟩, что позволит достичь стабилизации состояний Фока мегагерцового резонатора.
Изображение №4
Напоследок ученые проверили динамику всей системы с учетом резервуаров и термализации мегагерцевого резонатора с временным разрешением (интервалом) в 80 нс (наносекунд). Во время измерения микроволнового отражения на определенной частоте накачка включалась и отключалась на 50 мкс (микросекунд).
На изображениях выше представлены результаты данной проверки: 4А — динамика охлаждения до основного состояния и 4В — стабилизация однофотонного состояния Фока.
После изучения стационарного состояния, обусловленного накачкой, последняя прекращалась, что позволило наблюдать за процессом термализации устройства.
Ученые подвели итоги своего труда в нескольких умозаключениях. Во-первых, система хоть и показывает хорошие результаты охлаждения до основного состояния и стабилизации состояний Фока, но есть определенные проблемы, которые требуют дальнейшего изучения. В первую очередь, это внерезонансное воздействие. Эту проблему можно решить путем определения точного значения AH и Χ, что позволит убрать внерезонансные процессы из частотного диапазона процесса охлаждения. Второй метод это достижение высокой населенности основного состояния до того, как эффект сильного соединения (связи) начнет значимо влиять на процесс. Вариант снижения диссипации кубита ученые не рассматривают из-за того, что этот метод хоть и ликвидирует негативный эффект внерезонансных процессов, но сильная связь будет возникать при более низкой мощности накачки.
Для более детального ознакомления с подробностями исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Квантовый мир, его законы, ограничения и преимущества сложно понять, но возможно и, самое главное, необходимо. Одним из самых сложных направлений в данной области является объединение квантовых и классических физик, то есть применение квантовых технологий для изменения, управления и улучшения процессов, описываемых классической физикой.
В данном исследовании ученым удалось создать архитектуру квантового устройства, которое может манипулировать радиочастотным резонатором на квантовом уровне. Сами исследователи с оптимизмом смотрят в будущее своего детища. По их словам, это может дать толчок для создания подобной, но куда более сложной и масштабной системы, которая может помочь в исследовании тел в системах Бозе-Хаббарда. Также ученые указывают на то, что их творение может служить связующим звеном между квантовыми технологиями и физическими системами в мегагерцовом частотном диапазоне. Данное устройство может также быть использовано в совершенствовании ЯМР (ядерно-магнитного резонанса) и даже в радиоастрономии.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличной всем рабочей недели, ребята.
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Квантовые манипуляции на физфаке МГУ
Одна из передовых лабораторий, сотрудники которой пытаются сделать так, чтобы особенные свойства квантовых объектов можно было применить в обыденной жизни, находится на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова. Здесь занимаются применением квантовой криптографии для обеспечения защищенной от прослушивания связи и созданием квантового компьютера. На экскурсии в этой лаборатории побывал наш корреспондент, кандидат физико-математических наук С. М. Комаров.
Манипуляция (от лат. manipulus — пригоршня, горсть, manus — рука) — действие рукой или руками при выполнении какой-либо сложной работы.
Большой энциклопедический словарь
Проблема снаряда и брони
Рабочий стол для проведения экспериментов по квантовой криптографии
Идея создать невскрываемый шифр, используя квантовые свойства света, появилась в 70-х годах XX века, но тогда она казалась фантастической. Однако по мере развития лазерной техники и появления систем оптоволоконной связи выяснилось, что выполнить подобное шифрование информации вполне возможно.
В основе идеи лежит такая особенность квантовых объектов, как невозможность измерить их имеющееся состояние: сам процесс измерения это состояние необратимо изменит, можно зафиксировать только результат изменения. Поэтому любое «прикосновение» к квантовому объекту неспособно остаться незамеченным. Отсюда следует принцип работы системы идеального шифрования: она должна создавать квантовые объекты в известном состоянии, например генерировать кванты света с определенным направлением вектора поляризации, а затем анализировать, не изменилось ли это состояние в процессе передачи. Конечно, такой анализ неизбежно изменит квантовое состояние, однако это будет закономерное изменение, которое известно создателям системы связи. Поэтому они смогут догадаться, каким было состояние до измерения. Но если по дороге злоумышленник «потрогает» пролетающий мимо него фотон, состояние будет изменено неконтролируемым образом, и на другом конце это заметят. А заметив — примут меры: допустим, прекратят трансляцию. С помощью разработанных квантовыми криптографами алгоритмов можно определить и то, сколько информации злоумышленник успел получить, пока не сработали системы безопасности.
Такие сложности нужны для того, чтобы безопасно передать ключ к шифру от одного клиента другому. А затем они станут обмениваться зашифрованной такими ключами информацией между собой. Получается, что их должны соединять две линии связи: одна для передачи постоянно меняющихся ключей, а другая для передачи собственно информации. При создании ключей можно использовать такое замечательное явление, как квантовая телепортация. Для этого, например, с помощью лазера, который удваивает частоты попадающего в него излучения, создают из одного фотона два. Рождаясь одновременно, они находятся в так называемом запутанном состоянии: изменение состояния одного ведет к мгновенному изменению состояния второго. Тогда оба клиента, которым центральный сервер отправил по такому фотону, смогут самостоятельно, то есть уже без участия сервера, генерировать ключи шифрования для обмена информацией.
Телефон для декана
Созданию квантовых состояний и их контролируемому измерению и посвящена работа квантовых криптографов из лаборатории Кулика. «Наша лаборатория находится на передовых рубежах в мире. Причина в том, что именно в Московском университете давно существует научная школа в области квантовых вычислений и методов обработки информации. Например, профессор Давид Николаевич Кышко — один из основателей мировой школы квантовой оптики — университетский исследователь. Благодаря этой школе мы можем поддерживать высокий уровень как теоретических разработок, так и воплощения интересных идей», — отмечает профессор Кулик.
И действительно, в октябре 2016 года университетские физики протестировали возможность создания междугороднего квантового канала связи на базе имеющейся оптоволоконной линии компании «Ростелеком». Информацией, зашифрованной квантовыми ключами, обменивались абоненты, которые находились в Ногинске и Павловском Посаде. После того как оператор настроил системы, передача информации проходила в автоматическом режиме. Ключи распределялись между центральным сервером и несколькими клиентскими узлами: последовательно получаемые на различных узлах ключи специальным образом синхронизируются, что дает возможность всем абонентам напрямую обмениваться зашифрованными сообщениями. При этом серверная станция позволяет поддерживать связь 32-м абонентам.
Профессор С. П. Кулик объясняет технологию обмена данными в квантовой системе связи
Это значит, что на уже существующем оборудовании и без прокладки дополнительных кабелей можно создавать локальные сети обмена полностью защищенной информацией. Именно такую сеть для телефонных разговоров сейчас монтируют в МГУ. Сначала она свяжет кабинеты ректора и декана физфака, затем к ней будут присоединены другие деканаты, в том числе и те, что расположены в старом здании университета на Моховой улице. В этой сети основной сигнал идет по обычной телефонной лини, а шифр к нему передается по параллельной оптической. Абонентские же аппараты станут оцифровывать и зашифровывать речь абонентов. Такая сеть послужит прекрасным демонстрационным образцом.
Вообще-то попытки организовать оптические системы для связи объектов в различных университетских городках предпринимались не раз и безотносительно задач квантовой криптографии: при этом отпадает необходимость прокладки подземных кабелей, достаточно поставить лазеры и приемники на высоких зданиях городка. Однако тут есть ограничения: туман и осадки, рассеивающие луч лазера, способны нарушить работу системы. Наиболее перспективное использование такой технологии — выход в космос, где квантовый сигнал может без изменений преодолевать тысячи километров. В случае успеха может быть построен общепланетный квантовый Интернет, который объединит через космос локальные узлы, обслуживающие абонентов в радиусе десятков километров.
Модель в ловушке
Параллельно с системой квантовой криптографии на физфаке разрабатывают и квантовый компьютер — тот самый, с появлением которого многие неквантовые системы шифрования потеряют смысл. Для этого устройства написаны алгоритмы, создан язык программирования, и с математической точки зрения специалистам совершенно понятно, как надо действовать. Дело за малым: создать квантовую систему, у которой можно будет закономерным образом создавать и менять квантовые состояния. Здесь есть несколько подходов, и оптимальный пока что не найден. Университетские исследователи надеются сделать компьютер на одиночных сверххолодных атомах, содержащихся в электромагнитных ловушках, однако до создания реального устройства пока еще далеко. Удерживать единичные ионы и электроны в электромагнитных ловушках, а сверххолодные атомы в оптической патоке (см. «Химию и жизнь» № 10, 2001) научились уже давно, и некоторые из причастных к созданию методов даже получили свои Нобелевские премии (а другие, например В. С. Летохов из Института спектроскопии РАН, нет). Однако для работы квантового компьютера нужно уметь вводить несколько пойманных в ловушки атомов в связанные квантовые состояния, а потом измерять общее состояние системы. С этим не все получается гладко.
«Пока что никто не сумел показать, что имеющийся у него массив кубитов работает как квантовый компьютер, то есть позволяет реализовывать тестовое вычисление — разложение на сомножители большого числа — выполнять так называемый алгоритм Шора. А вот другой тип подобных устройств, квантовые симуляторы, уже существует. Создаваемый нами квантовый симулятор на базе отдельных атомов будет аналоговым, то есть он работает как аналог реальной квантово-механической системы. С таким аналогом можно будет выполнять манипуляции, невозможные с реальной системой, и на основании этого судить о ее поведении. Например, такой системой может быть молекула. Задав каждому из нескольких кубитов симулятора определенное квантовое состояние, мы сможем узнать квантовое состояние молекулы, построенной из такого же количества атомов. Даже такой несовершенный квантовый компьютер уже может быть использован в химии, например для разработки новых молекул с определенными, в том числе целебными свойствами», — говорит профессор Кулик.
В ловушке, на которую указывает сотрудник лаборатории, находится атом, способный стать кубитом квантового компьютера или симулятора
Квантовые симуляторы представляют интерес при условии, что проводимое на них моделирование реальных квантовых систем быстрее и точнее, чем на цифровых компьютерах. А время расчета зависит от числа элементов в моделируемой системе. Теоретически уже расчет молекулы из полусотни атомов требует значительных затрат времени мощного компьютера, квантовый же симулятор мог бы сделать это практически мгновенно. Однако для этого он должен состоять из полусотни кубитов. Пока работающих симуляторов такого размера не создано. Максимум, которого достигли исследователи на наиболее распространенных симуляторах с кубитами атомов, ионов или сверхпроводящих токов, — это девять кубитов. Для отлаживания методов работы с квантовыми устройствами это подходит, а для того, чтобы составить конкуренцию цифровым моделям, — пока еще нет.
Проблема даже не только в том, чтобы собрать в одном месте десятки и сотни квантовых объектов. Чем больше кубитов, тем труднее осуществить адресацию — дать каждому требуемое состояние и сохранить эти состояния до тех пор, пока не будут сняты результаты моделирования. Исследователи полагают, что такие ограничения размера искусственной квантовой системы не носят принципиального характера и, стало быть, увеличению числа кубитов в симуляторе ничто не препятствует, кроме несовершенства техники работы с кубитами. А это, как подсказывает история развития технической цивилизации, дело наживное. В самом деле, могли бы создатели квантовой механики век назад предполагать, что эта идея, которая многим казалась игрой ума, удобным математическим формализмом для объяснения экспериментальных данных, способна найти материальное воплощение? Однако квантовые объекты теперь можно не только целенаправленно создать, но и потрогать — например, с помощью лазерного импульса, определив таким образом квантовое состояние, которое объект примет под влиянием измерения. Не будет ничего невероятного в том, что завтра свойствами подобных объектов человек начнет пользоваться для решения вполне утилитарных задач.
Что надо знать о квантовых вычислениях
Об эксперте: Руслан Юнусов, глава Национальной квантовой лаборатории.
Квантовые вычисления — самое загадочное и пока еще не изученное направление из всех квантовых технологий. Новые материалы для автомобилей и самолетов, лекарства от ранее неизлечимых болезней, мгновенная оптимизация сотен различных параметров — все это ожидают от квантового компьютера уже в ближайшее десятилетие.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым достичь двух квантовых явлений — суперпозиции и запутанности. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать оптимизационные задачи, недоступные сейчас для самых мощных компьютеров.
Если вы посмотрите на английский термин (англ. quantum computing), то обнаружите, что квантовый компьютер по сути и есть будущий продукт тех самых загадочных квантовых вычислений. В целом квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.
Технологии квантового направления физики — коммуникации и сенсоры — активно применяются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока лишь начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила квантовую линию связи, которая соединила Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Сенсоры сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.
Настоящее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Точкой отсчета первой считается открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этого направления физики появились лазеры и компьютеры, а с ними — интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые камеры и магнитно-резонансные томографы.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного?
Поскольку ученые строят квантовые компьютеры на нескольких разных платформах (их мы обсудим чуть ниже), внешний вид таких машин также отличается друг от друга.
Современные квантовые компьютеры на сверхпроводниках внешне больше напоминают люстры в стиле стимпанк и функционируют при определенной температуре: для каждого уровня машины нужен собственный микроклимат. Если в помещении становится теплее или холоднее, вычислительная машина становится бесполезной. Для работы квантовых компьютеров применяют систему охлаждения на основе жидкого гелия. Сам компьютер заключен в цилиндрический корпус с насосами системы охлаждения. К этой конструкции подключен ряд традиционных компьютеров для решения задач. Внутри квантовый компьютер состоит из соединений и труб, которые передают сигналы в квантовый «мозг» машины.
Для решения любых алгоритмических задач квантовые компьютеры используют кубиты, которые при обмене информацией принимают значение 0 или 1. Однако в отличие от битов, кубиты могут одновременно находиться в состоянии 0 и 1, благодаря свойству квантовых объектов — суперпозиции. Именно это способствует ускорению решения задач на десятки порядков быстрее классических вычислительных машин.
Если классический компьютер разложит число с 500 десятичными знаками на простые множители за 5 млрд лет, то квантовый аналог в теории управится за 18 секунд.
Кубиты не перебирают последовательно все возможные варианты состояний системы, комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. Это свойство может применяться при поиске информации по базам данных, составлениях маршрута, моделировании поведения сложных молекул и синтезе материалов. Решение задач, для которых нужно перебрать сотни и тысячи вариантов, ускоряется во множество раз.
Сейчас многокубитные квантовые компьютеры стоят миллионы долларов, а их изготовление — сложный процесс. Квантовый компьютер сегодня — это установка, которая не предполагает персональное использование на дому. Чтобы работать с этим классом устройств, необходимо обладать специальными компетенциями и уметь раскладывать задачи на понятный машине язык.
Какие платформы обсуждаются в связке с квантовыми компьютерами?
Квантовые компьютеры строятся на четырех основных платформах: сверхпроводящих цепочках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. На самом деле платформ существует намного больше: еще есть интегральная оптика, квазичастицы (экситоны, поляритоны, магноны и др.), примесные атомы, молекулы, полупроводниковые квантовые точки и центры окраски. Один компьютер может быть создан на базе нескольких платформ. Все они могут работать отдельно друг от друга.
Квантовая платформа — это физический объект, похожий на чип, на котором размещается и сохраняется квантовое состояние кубитов.
Еще несколько лет назад все коммерческие вычислительные устройства работали исключительно на сверхпроводящих цепочках. В отличие от других типов кубитов они хорошо масштабируются, стабильны в работе, позволяют контролировать параметры и легче управляются. Однако сейчас мы видим, что международное квантовое сообщество стало все больше интересоваться ионами.
Первый коммерчески доступный квантовый компьютер на ионах представил в декабре 2018 года технологический стартап IonQ. Как заявили сами разработчики, построенная ими система способна выполнять более сложные вычисления, чем все существующие на рынке аналоги. А в конце 2020 года американская корпорация Honeywell заявила, что ей удалось создать наиболее точный квантовый компьютер на ионах. Вместе с тем, у этой технологии есть и недостатки: ионные компьютеры сложно масштабировать из-за аномального нагрева.
Также в тройку наиболее перспективных платформ для реализации универсального квантового вычислителя входят ультрахолодные атомы. Разработкой таких систем чаще всего занимаются академические институты и университеты — например, Институт прикладной физики Российской академии наук в Нижнем Новгороде.
Что такое облачная платформа для квантовых вычислений?
На сегодняшний день квантовые компьютеры и симуляторы функционируют только в лабораториях, и облачный доступ — единственный способ работы с ними для внешних заказчиков. Однако в перспективе использование облачной платформы также экономически более оправдано, чем приобретение дорогостоящего оборудования самостоятельно.
Согласно дорожной карте по квантовым вычислениям, разработанной Госкорпорацией «Росатом» и экспертами из Российского квантового центра, российская облачная платформа будет создана в виде пилотного проекта до декабря 2022 года. В 2024 году платформа позволит совершать вычисления на российских квантовых компьютерах.
В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален?
Финансы
Все эти процессы существенно трансформируются благодаря вычислительной мощности квантовых компьютеров. Задачи будут решаться моментально, а не в течение часов и дней.
Медицина и фармацевтика
Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.
Логистика
Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.
Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.
Информационная безопасность
Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.
Химическая промышленность
Какие квантовые компьютеры уже есть в мире и в России?
Собственные квантовые компьютеры строят корпорации Google, IBM, Intel, а также компании поменьше — D-Wave и стартап Rigetti. Компания D-Wave создала машину для квантового отжига на 5 тыс. кубитах, которая превосходит прошлое поколение устройств по размеру, количеству связей между кубитами и скорости работы. Устройство является важным инженерным достижением, в будущем используемым для универсальных квантовых компьютеров. Национальные программы по разработке квантовых компьютеров также созданы и на уровне стран — в Евросоюзе, США, Китае и России.
«Квантового превосходства» в лабораторных условиях первой в мире достигла Google: компьютер Sycamore смог выполнить вычисление за 200 секунд, в то время как традиционный суперкомпьютер справился бы с этой операцией за 10 тыс. лет, описывал журнал Nature итоги эксперимента компании.
В России ученые работают над созданием квантового компьютера сразу на четырех платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Согласно утвержденной правительством нашей страны дорожной карте по квантовым вычислениям, первые отечественные квантовые вычислительные устройства появятся уже в 2024 году. Квантовый процессор на основе сверхпроводников будет состоять из 30 кубитов, на основе нейтральных атомов и ионов — из 100, фотонов — из 50.
Сегодня в России работают прототипы квантовых компьютеров с 2-10 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Отечественные компьютеры способны демонстрировать простейшие алгоритмы, решать задачи моделирования простейших молекул. Эти мощности соответствуют уровню развития квантовых вычислений QTRL-4 (метрика зрелости технологий квантовых вычислений, наивысшим уровнем в ней считается QTRL-9).