Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Несмотря на то что во всех этих системах, конечно же, проявляются квантовые эффекты, самое трудное — это научиться полностью их контролировать, чтобы иметь возможность воспроизводить данные эффекты тогда, когда это необходимо. Физики обладают богатым опытом наблюдения необычных феноменов, предсказываемых квантовой механикой. Но управлять ими чрезвычайно трудно. Отчасти это объясняется тем, что такие эффекты прекращаются при первом же нежелательном взаимодействии (как раз по этой причине мы и не можем наблюдать нахождение двух крупных объектов, таких, например, как люди, одновременно в двух разных местах). Конечно, мы до сих пор продолжаем исследовать многие физические системы, и, возможно, среди них найдутся такие, которые вполне могут предложить идеальную архитектуру квантового компьютера в будущем. На данный момент существует два основных претендента на эту роль. В изучении каждого из них уже были достигнуты впечатляющие результаты, благодаря чему мы сегодня уже можем говорить о возможности построения полномасштабного квантового компьютера.

Один из кандидатов предполагает использование квантового феномена под названием «сверхпроводимость». Причем, чтобы квантовый компьютер с такой архитектурой работал, его придется охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю (–273 °C).

Для пары кубитов сделать это нетрудно, но, если речь идет о миллиардах кубитов, инженерная составляющая становится куда более сложной.

Второй претендент, представляющий собой физическую систему с оптимальными на данный момент показателями, — удерживаемые в ловушках ионы, которые могут выполнять свои функции при комнатной температуре, а в некоторых случаях требуют «умеренного» охлаждения (до –196 °C, температуры сжиженного азота). Всего несколько месяцев назад группа исследователей под моим руководством в Университете Сассекса при участии ряда выдающихся ученых из компании Google, Орхусского университета, японского Института физико-химических исследований (RIKEN) и Зигенского университета опубликовала первый в истории проект полнофункционального квантового компьютера, предусматривающий использование захваченных ионов. И как раз сейчас мы занимаемся созданием такого устройства в Университете Сассекса.

Давайте рассмотрим чуть подробнее принцип работы квантового компьютера с использованием захваченных ловушками ионов. Каждый ион — это один кубит. Внутри каждой удерживающей ион ловушки — глубокий вакуум, что исключает для всякого хранящего кубит атома любые столкновения или какое-либо иное взаимодействие с другими атомами системы. Ионы удерживаются внутри ловушек электростатическим полем, создаваемым электродами, которые соединены со специально спроектированными для этой цели микрочипами. Электроды создают поле, по своей структуре напоминающее сеть со множеством пересечений, что-то вроде обширного лабиринта из игры PACMAN. Меняя напряжение на электродах, можно заставить ионы двигаться по лабиринту. Пересекая эквипотенциальные поверхности, ионы попадают из области, служащей памятью, в области квантовых вентилей, где над ними производятся квантовые логические операции. Обычно такие операции выполняются с помощью отдельных пар лазерных лучей, которые должны быть выровнены относительно друг друга с точностью до микрометра. В этом случае для вычисления потребовалось бы столько же пар лазерных лучей, сколько кубит в нем задействовано, то есть потенциально — миллиарды. Работу этого метода на примере нескольких ионов представить еще можно. Такие эксперименты проводились. Но представьте, какие инженерные решения понадобятся для того, чтобы создать квантовый компьютер с миллиардами таких пар лазеров, способных обеспечить миллиарды ионов!

К счастью, не так давно нам удалось найти новый подход, позволяющий обойтись вообще без лазерных лучей — их функцию выполняет меняющееся напряжение микрочипа. Это существенно упрощает задачу построения полноценного квантового компьютера. В своем описании проекта будущего квантового компьютера мы постарались подробно осветить все инженерные задачи, с которыми необходимо справиться. Мы решили не полагаться на будущие открытия в физике. Мы собрали то, что позволит нам сконструировать и построить полноценный квантовый компьютер уже сейчас. Поэтому задуманная нами машина будет не так хороша, как нам бы хотелось. Она будет большой (размером со здание или, возможно, даже с целое футбольное поле), очень дорогой, да и к тому же на ее строительство может уйти 10–15 лет. Однако явных препятствий со стороны фундаментальной физики, которые могли бы помешать нам построить такую машину, уже нет. Из сказанного выше со всей очевидностью следует вывод о том, что до создания компактных квантовых компьютеров для домашнего использования еще очень и очень далеко. Впрочем, наверное, это не так уж и страшно. В конце концов, первые классические компьютеры также не были маленькими — для их размещения требовалось целое здание. В эпоху облачных технологий кажется куда более практичным разместить квантовый компьютер в одном месте и предоставить удаленным пользователям возможность пользоваться им для вычислений.

В связи с этим было бы логично задаться вопросом о текущем состоянии дел в сфере коммерческих квантовых вычислений. Канадская компания D-Wave пошла на смелый шаг, выйдя на рынок с технологией, которую она называет «квантовым компьютером». Многие физики отнеслись к этому заявлению скептически. Если судить по результатам недавних исследований, в работе машины, имеющейся у D-Wave, действительно определенную роль играют некоторые квантовые процессы. Однако я не видел никаких доказательств, что эти машины когда-нибудь смогут стать универсальными квантовыми компьютерами — в том смысле, что на них можно будет полноценно запускать все те приложения, которые были теоретически спроектированы для квантового компьютера. Все дело в том, что физические объекты, используемые в машине D-Wave для хранения и обработки информации, не обладают теми же возможностями, что и, например, ионные ловушки. Как таковые машины D-Wave могут рассматриваться как компьютеры, предназначенные для решения лишь определенного класса задач и не обеспечивающие достаточной гибкости, которая позволила бы им когда-либо превратиться в универсальный квантовый компьютер. Пусть это звучит и не слишком впечатляюще, но для такой машины могут быть созданы свои очень интересные приложения.

Построение универсального квантового компьютера считается одной из самых заветных целей науки. Одновременно с этим есть немало крупных компаний, которые проявляют интерес к разработке теории квантовых вычислений, осознавая, что сама причастность этих компаний к данной технологии может иметь решающее значение для их выживания. В качестве примеров могут служить компании IBM, Google и Microsoft, а также некоторые стартапы — такие, например, как IonQ. Кроме того, работа по созданию квантовых компьютеров и выводу их на рынок ведется в ряде университетов. Можно утверждать, что к настоящему времени большинство известных барьеров на пути к построению квантового компьютера преодолены. Однако с инженерной точки зрения эта задача по-прежнему остается весьма непростой. Так что нам предстоит ждать появления первых полномасштабных машин еще одно-два десятилетия. В процессе работы над ними, несомненно, будут появляться различные технологические решения. Возможности, открывающиеся благодаря этой технологии, настолько велики, что с ее появлением мир может измениться до неузнаваемости, и нам исключительно повезло быть частью поколения, которому, скорее всего, суждено стать свидетелем чудесных результатов ее применения.