Неправильный свет: российские ученые сделали серьезное открытие в квантовых вычислениях

Российские исследователи сделали серьезное открытие в сфере квантовых вычислений. Их статья не просто опубликована в высокорейтинговом журнале Advanced Quantum Technologies, но даже попала на обложку. Это в наше-то время, когда от россиян на Западе бегают, как вампир от солнечного зайчика.

Статья называется «Твердотельный кубит как встроенный контроллер для неклассических состояний поля». Ох, с наскоку не поймем мы с вами, о чем она. Давайте разбираться с азов. А помогут нам в этом соавторы работы, Игорь Соловьев, доктор наук, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ, и Николай Кленов, доктор наук, профессор физфака МГУ.

ПО СУТИ ТЕ ЖЕ СЧЕТЫ

Мы привыкли к ноутбукам и смартфонам, но давайте посмотрим незамыленным взглядом, ну, чудо же.

А что, если я скажу: электрический компьютер чуть более продвинут, чем обычные счеты? В самом деле. В счетах считают костяшки. Которые вы двигаете энергией своих рук. Понимаете принцип? Есть внешняя энергия. И есть некий объект, который меняет свое состояние (костяшка перемещается), и так считает.

В электрическом (обычном) компьютере электрический ток (внешняя энергия) меняет состояние полупроводниковых элементов (транзисторов и им подобных). Транзисторы по сути ничем не отличаются от костяшки. Был закрытым – стал открытым. Им управляют электрические токи.

Конечно, технологически электрический компьютер – космос по сравнению со счетами. Первые компьютеры, пока транзистор не придумали, были на лампах. Лампу очень маленькой не сделаешь. Лампу нужно нагревать. Оттого-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 тот факт, что в основе лежит довольно-таки примитивный принцип.

Обложка журнала "Advanced quantum technologies", в котором была опубликована статья российских ученых.

ПУСТЬ ФОТОН ПОРАБОТАЕТ

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 синим, а может красным (длина волны). Фотон может быть поляризованным или не поляризованным (то есть поля в «его» волне колеблются, грубо говоря, то в одной, то в другой плоскости).

На примере счет мы уже поняли: чтобы что-то вычислить, нам нужно нечто, меняющее (по нашей команде) 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?

Доктор наук, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев.

ОПТИЧЕСКИЙ ФРАНКЕНШТЕЙН

Поменять состояние фотона вы можете у себя дома.

Возьмите 3D очки, которые, возможно, завалялись у вас после посещения кинотеатра. Чаще всего они сделаны на основе поляризационных 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 «плутает», и через нее проходят только те, плоскости колебаний которых совпадают с волокнами. Такие фотоны называются поляризованными. Итак, на очки падает обычный свет, из них выходит поляризованный свет. Вы только что вмешались в фотонным мир на квантовом уровне!

Но если все так просто, где квантовые компьютеры? Пока что – в опытных образцах и проектах. А в чем проблема-то?

Проблем 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, наверное, электричеством. Похоже, у нас получается квантово-механический Франкенштейн, 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 некоторой (ненулевой) вероятностью преодолевает непрозрачный барьер, потому что в мире котов Шредингера такое возможно. Фотон может, «зная», что ему предстоит путешествие через поляризационный фильтр, как бы заранее поменять свои свойства. Что значит «знает», и как так, «заранее», быстро не объяснить, и это отвлекло бы нас от темы, но – это так.

Мы получаем громоздкую игрушку, которая вдобавок чудит внутри себя. Нехорошо.

Доктор наук, профессор физфака МГУ Николай Кленов.

ЧТО ТАКОЕ КУБИТ

Пока что квантовые компьютеры выглядят так. Сердце компьютера – «чип» с кубитами, он крошечный. Вокруг – «обвязка», то, что дает «чипу» возможность работать. Она громадная. У нас, как в 1950-е, опять получился «шкаф».

Но что такое кубит?

Кубит – это элемент, который может принимать состояние «1» или «0», как байт обычных компьютеров. Но также (квантовая неопределенность!) быть одновременно и «1», и «0». А еще кубиты могут «запутываться» друг с другом. Совсем как живые. Вы же слышали про квантовую запутанность? Я меняю состояние одной частицы, и тут же меняется состояние другой, хотя она далеко от меня, и я ею не манипулировал.

Все это делает квантовый компьютер потенциально намного более мощным, чем обычный. Аналогия: в обычную коробку вы можете засунуть, например, два свитера. В квантовую коробку фокусника помещается два свитера, кролик, а еще она разговаривает с другой коробкой.

Физически кубит выглядит как крошечная проволочка, вся – целиком – функционирующая как один искусственный атом (хотя она состоит из многих атомов). Чтобы она так работала, ее надо охладить почти до абсолютного нуля. В ней появляется сверхпроводимость, и – необычные свойства. Проволочку-«атом» можно с помощью электромагнитных полей (света) приводить в нужное состояние. Задавать задачу. А дальше они сами.

Рефрижератор, который охлаждает несколько десятков кубитов (больше пока не получается) и делает систему такой громоздкой.

Пока с огромным трудом получается достичь квантового превосходства – то есть сделать квантовый компьютер, который считает лучше обычного (пусть даже на специально подобранных задачах).

– Предложенное нами решение должно позволить создать практически полезный квантовый компьютер, — говорит Николай Кленов.

Что ж, пора уже поговорить об открытиях наших ученых.

УПРАВЛЯТЬ КВАНТОВЫМ «ЗООПАРКОМ»

Если очень кратко: в статье наши ученые предложили способ, которым можно легко управлять состоянием фотонов, связанных с кубитом. Ключевой компонент рецепта – неклассический, или квантовый, свет. Светить в такой компьютер лазерной указкой уже не получится.

А что это такое, неклассический свет? Тот свет, который мы видим, подчиняется и волновым, и квантовым законам. Но в целом он классический, обычный, волновой. Иначе не было бы у нас очков, телескопов и других простейших штук, изобретенных еще в древности.

Можно создать свет, который обладает «невозможными», с точки зрения «старой» физики, свойствами. Например, он легко «запутывается» (один фотон начинает чутко чувствовать состояние других). Или летит точными порциями. Отмерьте мне сто фотонов – да не вопрос. Обычно такой свет получают непростыми, экзотическими устройствами, например, лазером, состоящим всего из одного атома. На вес золота такой свет.

На обложке журнала художник как раз нарисовал так называемое «фоковское состояние», когда фотоны отвешены поштучно. Как он мог нарисовать то, что и представить-то трудно? Ну, он же художник.

– На обложке схематически изображены моды неклассического электромагнитного поля. Состояния, в которых точно задано число фотонов в такой моде, называют «состояниями Фока». Создавать и детектировать такие состояния непросто, но возможно, например, при помощи тех же сверхпроводящих кубитов, — говорит Николай Кленов.

Неклассический свет в работе наших ученых – даже не свет в классическом понимании, а микроволновое излучение. Как в микроволновке (почти). Суть открытия вот в чем: если взять квантовый «свет» (тут уже уместнее закавычить), и «светить» им на кубиты, снабженные чуткими (физики говорят, «добротными») волноводами (нечто вроде световодов), кубит начинает играть с волнами, производя вычисления, причем менять правила этой игры можно сравнительно легко, воздействуя на кубит.

— Речь идет о том, что сверхпроводящий твердотельный кубит, включенный в высокодобротный сверхпроводящий же волновод, может преобразовывать неклассические электромагнитные поля, причем видом этого преобразования можно управлять, настраивая состояние кубита, — говорит Николай Кленов.

Процентов на 80 работа носит теоретический характер, поясняет ученый, но базой стали измерения свойств кубитов и опыты с ними, которые исследователи провели сами.

ОБЩЕНИЕ С ПРИШЕЛЬЦАМИ ПОКА ОТКЛАДЫВАЕТСЯ

Мы говорили, 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 обсчитать все варианты – квантовый компьютер самое то. А вот простым обсчетом «цифра за цифрой», как это делают обычные компьютеры, их лучше не озадачивать. Пока что ученые предполагают совмещать электронные, обычные, суперкомпьютеры и квантовые модули. Что-то делает классика, что-то – квантовая часть.

— Квантовый компьютер, ввиду 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. Там, где эти алгоритмы не дают преимуществ, их, конечно, и не будет, — говорит Игорь Соловьев.

Это напоминает «присадку» к обычному компьютеру в виде, например, мощной звуковой 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 уже 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 немного охлаждает ожидания: в популярной литературе пишут, что квантовый компьютер «изменит мир», который (как водится), «не будет прежним». Вообще, всегда, когда появляется новое устройство, народ шумит. В XIX веке были уверены, что в очень большие телескопы можно рассмотреть непосредственно инопланетян, а, когда запустили Большой адронный коллайдер, надеялись (и боялись), что там образуются мини-черные дыры.

Одно из самых стойких ожиданий: квантовая связь, которой, дескать, пользуются инопланетяне. Создадим квантовый компьютер, и сразу услышим их «голоса». Еще говорят, что квантовая машина обеспечит телепортацию или переместит во времени.

— Сейчас для нас это в области фантастики, — отрезвляет Игорь Соловьев, — В первую очередь от квантового компьютера ожидается прорыв в тех областях, где его преимущества обеспечиваются заложенными в нем алгоритмами вычислений, ориентированными на квантово-механическую элементную базу, как мы сказали выше.

Еще одно ожидание, или, скорее, страшилка. Поскольку квантовый мир – мир вероятностей, не будут ли результаты работы такого компьютера носить вероятностный характер? Поручишь ему отслеживать поезда, а он сообщит: «Поезд Пермь-Москва с вероятностью 99,9999 прибыл в Москву». И тут нет, зря страхи, говорит Игорь Соловьев:

— Результат работы квантового компьютера, это конечно уже определенная цифра. Но эта цифра получается в результате многократных измерений.

ВОПРОС-РЕБРОМ

Появление статьи на обложке международного журнала – большое событие, а в наше время и подавно. Получается, несмотря на обстоятельства, научная коммуникация поддерживается, российские ученые не изолированы?

Игорь Соловьев:

— Проблемы в этом отношении есть, и к сожалению, заметная часть связей разорвана. Но часть — осталась. К тому же, формируются новые связи, как внутренние, так и международные, в первую очередь с Китаем, Ираном, Индией, Турцией.