Как устроен квантовый компьютер

Как работает квантовый компьютер и какие проблемы существуют?

Обычные компьютеры работают на основе кремниевых чипов, строение и принцип действия квантовых компьютеров отличаются, они работают на основе законов квантовой механики. То есть вычислительные действия выполняются не по классическим алгоритмам, а за счет процессов квантовой природы, например, квантовой запутанности или квантового параллелизма. В качестве базы используется кубит, так называют систему, в которой количество частиц соответствует импульсу, а энергетическое состояние, которое меняется, аналогично координате. Этот фазовый кубит сейчас активно изучается наукой. Известно, что он может содержать единицу и ноль одновременно, то есть фактически быть сразу в двух состояниях. Благодаря данной особенности квантовый компьютер выполняет вычислительные задачи в тысячи раз быстрее обычного.

В этой статье мы рассмотрим принцип работы такого устройства, разберем, чем оно отличается от обычного компьютера. Ты узнаешь, зачем нужны квантовые компьютеры, существует ли они на сегодняшний день, какие проблемы у такого решения.

Из-за устойчивого выражения “квантовый компьютер” люди часто воспринимают устройство неправильно. Они представляют обычный компьютер, ноутбук, реже — как суперкомпьютер. Но при этом не являются компьютером в привычном понимании.

Чем отличается работа квантового компьютера от обычного

Работа квантового компьютера от обычного отличается в разы большей скоростью обработки данных. Понять это проще на простом примере. Допустим, нам нужно рассадить 3 человека за 2 столика в ресторане. Вариантов решения этой задачи всего 8 (2³). Эту задачу любой суперкомпьютер решит мгновенно.

Но, если задачу усложнить и предложить машине рассадить 100 человек в два банкетных зала, то вариантов ее решения становится огромное множество. Эта цифра будет выглядеть, как 2 в сотой степени. Это число, состоящее из 30 символов. Самому мощному суперкомпьютеру на обработку всех этих вариантов понадобится приблизительно 4,6х10³⁵ лет. Это неимоверно много. По сути, срок решения задачи сводится к бесконечности.

Получается, что задача вроде бы простая, рассадить 100 человек в два зала. Но вариантов ее решения существует такое множество, что решить ее с помощью привычных устройств невозможно. Квантовый супермощный компьютер способен решить эту задачу за секунды. В этом и есть его основное отличие от обычного.

Суть квантового компьютера конечно же состоит не в том, чтобы подобрать наиболее совместимую компанию для вечеринки. Задачи, которые ставятся перед этим устройством гораздо сложнее.

Как работает кубит

Бит и кубит

В стандартных компьютерах информация представлена двоичным кодом. Биты для хранения и обработки данных принимают значения 0 или 1. Транзисторы выполняют математические операции, а на экране возникает результат преобразования двоичного кода.

Кубит – единица хранения информации в квантовом компьютере. Кроме 0 и 1, он может находиться в неопределенном пограничном состоянии, называемом суперпозицией. Для получения кубита нужно взять один атом, зафиксировать и стабилизировать его, оградив от посторонних излучений, связать с другим атомом.

Чем больше таких элементов соединено между собой, тем стабильнее работает система. Чтобы превзойти классический суперкомпьютер, нужно связать более 49 кубитов. Сделать это очень сложно: атомы, независимо от используемых материалов, всегда нестабильны.

Как устроен квантовый компьютер: принцип работы

После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение. Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера. Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу.

Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе.

Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко. Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц. Нетривиальная задача, не правда ли?

Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты. В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем (например QCL, Quantum computing language), но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений.

Как устроен квантовый компьютер

Модель гипотетического квантового компьютера от IBM (CeBIT 2018. Ганновер, Германия)

Как устроен компьютер будущего

Теперь рассмотрим подробнее, из чего состоит высокотехнологичная система. Как мы уже выяснили, минимальной единицей информации в обычном компьютере является бит, принимающий значение 1 или 0 (включён или выключен), в квантовом компьютере – это кубиты, которые могут принимать все значения. При этом квантовые частицы зависят от измерения, что означает отсутствие информации о кубите до момента его измерения, сам процесс измерения также оказывает влияние на значение квантового бита, что может показаться странным, но дело обстоит именно так.

Благодаря данному свойству кубитов (одновременное пребывание сразу во всех состояниях), до того времени, пока частица не была измерена, компьютер мгновенно переберёт вероятные варианты решения ввиду имеющейся связи между кубитами. Таким образом, решение известно сразу же, как только были введены исходные данные, то есть суперпозиция обуславливает параллельность вычислений, ускоряющую функционирование алгоритмов в разы.

Устройство квантового компьютера включает:

Для работы между атомами обеспечивается квантовая связь, причём, чем больше связей образуют кубиты, тем меньшей будет стабильность системы. Для квантового превосходства над стандартным компьютером потребуется не менее 49 кубитов, а в таком случае устойчивость системы уже под вопросом. Когда создаются многочисленные зависимости, повлиять на них могут любые внешние воздействия.

Ввиду хрупкости связей КК, состоящий из нескольких основных уровней, включает охлаждение атомов практически до абсолютного нуля, что позволяет оградить от внешних процессов, по этой причине устройство с предусмотренной защитой квантового процессора занимает большой объём места.

Путь к реализации

Для создания работоспособных квантовых вычислительных устройств необходимо пройти ряд этапов реализации. Мы должны построить рабочие кубиты – не только пять, но тысячи. Мы должны организовать структуру из квантовых вентилей и эквивалент проводов – если только мы не сможем заставить вентили действовать непосредственно на состояние во входном квантовом регистре. Все это сложные задачи, и график их решения непредсказуем.

К сожалению, проблемы связаны не столько с новизной проблем, сколько с законами квантовой механики и классической физики. Возможно, самая главная и наименее знакомая из них, называется декогеренцией. Роль кубит состоит в том, чтобы удерживать физический объект – например, ион, пакет фотонов или электрон — на месте, чтобы мы могли воздействовать на него и в конечном итоге измерять квантованную величину, такую как заряд или спин. Чтобы эта величина вела себя квантовым, а не классическим образом, мы должны иметь возможность ограничить ее состояние суперпозицией двух чистых базовых состояний, которые мы называли 0 и 1.

Но природа квантовых систем такова, что связывает их с вещами вокруг них, значительно увеличивая количество возможных базовых состояний. Физики называют такое размытие чистых состояний декогеренцией. Аналогией может быть когерентный лазерный луч в световоде, рассеивающийся на неоднородностях материала и размывающейся от суперпозиции двух мод в полностью некогерентный свет. Задачей создания физического кубита является как можно дольше предотвращать декогеренцию.

На деле это означает, что даже один кубит это сложный лабораторный инструмент, возможно, с использованием лазеров или высокочастотных радиопередатчиков, точно контролируемые электрические и магнитные поля, точные размеры, специальные материалы и, возможно, криогенное охлаждение. Его использование, по сути, является сложной экспериментальной процедурой. Даже при всех этих усилиях, сегодня это «как можно дольше» измеряется десятками микросекунд. Таким образом, у вас очень мало времени для выполнения квантовых вычислений, до того, как ваши кубиты потеряют свою согласованность. То есть, до того как информация исчезнет.

Сегодня эти ограничения исключают возможность больших квантовых регистров или проведения вычислений, для которых требуется более нескольких микросекунд. Тем не менее, в настоящее время в микроэлектронике ведутся исследования по созданию гораздо более обширных массивов кубитов и квантовых вентилей.

Однако сама эта работа несколько бессвязна, потому что пока нет определенности в отношении того, какое физическое явление использовать для хранения квантовых состояний. Существуют конструкции кубит, которые квантуют поляризацию фотонов, заряд электронов, захваченных квантовыми точками, чистый спин сверхохлажденных ионов в ловушке, заряд в устройстве, называемом трансмоном, и некоторые другие подходы.

Тип кубита, который вы выберете, естественно определит реализацию квантовых вентилей. Например, вы можете использовать взаимодействие радиоимпульсов с внутренними спинами в молекулах в ловушке или взаимодействие расщепителей пучков с фотонными модами в волноводах. Очевидно, что существо дела находится глубоко в области экспериментальной физики. И, как уже упоминалось, реализация кубитов или квантовых вентилей требует использования большого количества различного оборудования, от цифровой логики до лазеров или радиопередатчиков, антенн и до криогенных охладителей.

Реализация кубит также зависит, от того каким образом измеряется состояние кубит. Вам может потребоваться сверхчувствительный фотометр или болометр, мост сопротивлений или какое-либо другое невероятно чувствительное устройство для измерения кубитов и перевода состояния суперпозиции в базовое состояние. И, кроме того, этот процесс измерения состояния кубит вызывает еще одну проблему, незнакомую традиционным вычислениям: получение неправильного ответа.

Что же такое квантовый компьютер?

Это компьютер, использующий вместо классических битов (бинарных переменных, единичек и нулей) кубиты — состояния квантовой системы с двумя уровнями. В отличие от битов, кубиты могут находиться в состоянии 0, 1 и в суперпозиции 0 и 1.

— Помните мысленный эксперимент с котом Шредингера? Пока мы не откроем коробку, кот в ней и «жив», и «мертв» одновременно. Состояние кота в коробке и называется суперпозицией.

Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам делать параллельные, а не последовательные вычисления, что на порядок ускоряет работу в определенных алгоритмах. И чем больше в нашем процессоре связанных кубитов, тем больше информационное преимущество квантового компьютера над классическим, тем он потенциально мощнее и быстрее.

— В отличие от классических компьютерных битов и транзисторов, кубиты для своего физического воплощения требуют, как правило, отдельных квантовых систем с дискретными энергетическими уровнями и единичных квантов возбуждений.

Кубиты можно реализовать, например, с охлажденными атомами в ловушках, дефектами в нанокристаллах алмаза или сверхпроводящими контурами. Последние на современном этапе считаются самыми перспективными для построения квантовых компьютеров, поскольку сверхпроводящий контур-кубит, по сути, — объект почти макроскопический, размером в микрометры, доступный для манипуляций и массового изготовления.

Сверхпроводящие кубиты можно создавать на основе существующих методов литографии и помещать на чипы, не боясь, что они куда-нибудь сбегут как атомы. Так, в 2015 году Министерство образования и науки РФ сообщало о создании кубитов из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон: «Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров». Для печати кубита использовалась технология электронной и фотолитографии. Процесс этот весьма увлекательный и подробно расписан создателями в их блоге.