Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Захват ионов – один из наиболее развитых методов изготовления кубитов для квантового компьютера. Положительно заряженные ионы ловятся электромагнитным полем и охлаждаются примерно до нанокельвина, чтобы уменьшить их колебания и ограничить декогеренцию. Затем информация кодируется энергетическими уровнями ионов и управляется лазерным светом. За счет этого достигаются успешная инициализация (99,99% случаев), точность (около 99% случаев) и устойчивое многолетнее хранение памяти.

В 1995 году Дэвид Уайнленд и его коллеги из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (Колорадо) использовали захваченные ионы для создания первого квантового логического вентиля – управляемого НЕ ( C - NOT ) для распутывания запутанных ионов. В 2011 году физики из Инсбрукского университета разработали 6-кубитный квантовый симулятор на ионной ловушке, модель которого была предложена в 1981 году Ричардом Фейнманом. А в 2016 году физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере захватили рекордные 219 ионов бериллия и запутали их квантовые свойства лазерами. Декогеренция и масштабирование остаются, однако, взаимосвязанными проблемами.

Фотоны выглядят как хорошие будущие кубиты: они легко входят в суперпозицию и остаются когерентными в течение достаточно длительного времени. Положение, поляризацию или даже просто число фотонов в данной области пространства можно использовать для кодирования кубита. Хотя инициализация их состояний проста, фотоны довольно верткие: их легко потерять, и они не слишком тесно взаимодействуют друг с другом. Это делает их хорошим инструментом передачи квантовой информацией, но для ее хранения надо отпечатать фотонные состояния на чем-то более долгоживущем, например на энергетическом уровне атома.

Если у нас все получится, то это подтвердит перспективность квантовых вычислений с помощью фотонов, в том числе и потому, что их обработка может быть выполнена при комнатной температуре. В 2012 году группа из Венского университета использовала четыре запутанных фотона для проведения первых «слепых» квантовых вычислений. Пользователь посылает закодированную квантовым образом информацию удаленному компьютеру, который «не видит», что именно вычисляется. В будущем это может стать парадигмой – полностью защищенные квантовые вычисления в «облаке». Продолжают ставиться новые рекорды по самому большому числу запутанных фотонов: в 2016 году, например, группа из Университета науки и технологий Китая разработала лазерную систему, которая запутала сразу десять одиночных фотонов.

Скопления многих сотен атомов могут стать хорошими кубитами, если их захватить, охладить и упорядочить с использованием лазера в двумерный массив, известный как «оптическая решетка». Энергетические состояния этих атомов могут кодировать информацию, которой можно управлять с помощью дополнительных лазеров, как захваченными ионами. Мы овладели основными методами, но для создания реального квантового компьютера из холодных атомов требуется установить надежную запутанность скоплений этих холодных тел.

Электродинамика резонаторов – это подход квантовых вычислений, целью которого является объединение неподвижных холодных атомов с проворными фотонами. Свет захватывается внутри резонатора микронных размеров, а атомы запускаются через него с выполнением логических операций через взаимодействия атомов и фотонов.

Инициализация атомов демонстрирует высокую эффективность, а декогеренция допускает выполнение около десяти операций с логическими элементами – но масштабирование технологии возможно только после разработки надежных способов запутывания захваченных холодных атомов. Серж Арош из Коллеж де Франс в Париже (Франция), один из пионеров электродинамики резонаторов, разделил Нобелевскую премию по физике 2012 года с исследователем захваченных ионов Дэвидом Уайнлендом.

В этой методике кубиты кодируются тем, как субатомные частицы движутся относительно друг друга. Однако этой многообещающей основе для квантового компьютера еще предстоит сойти с теоретической чертежной доски, поскольку она зависит от существования частиц, ограниченных двумя измерениями и называемых анионами [2] Термин anyon не имеет никакого отношения к отрицательно заряженным ионам, которые тоже называются анионами ( anion ). – Прим. пер . . Эти «топологические» частицы необыкновенно невосприимчивы к окружающему шуму, что делает их отличными кубитами. Частицы, такие как фермионы Майораны, которые соответствуют некоторым требованиям анионов, были изготовлены в определенных твердых телах, но все же остается спорным, принесут ли они пользу практическим квантовым вычислениям.

Помимо невероятной вычислительной мощности, квантовые компьютеры предлагают много других выгод, основной из которых является экономия. За последние десятилетия мы преуспели в набивании классических компьютерных микросхем все бóльшим и бóльшим числом транзисторов. Но плотность потока тепла, выделяемого в результате постоянного обнуления этих физических выключателей, сейчас представляет собой фундаментальный барьер для дальнейшей миниатюризации. Квантовые вычисления могут обойти этот барьер.

Это связано с тем, что за счет правильных манипуляций можно переключаться между квантовыми состояниями, например поляризациями фотонов, без какого-либо потребления тепла. И все же это не дает карт-бланш маломощным вычислениям. Чтение и запись информации в квантовую память предполагают проведение измерений, подобных щелканью классическим выключателем, так что по-прежнему будет выделяться некоторое тепло.

Другая выгода, предлагаемая квантовыми вычислениями, – это способность справляться с так называемыми сложными задачами. Специалисты в области теории вычислительных машин и их систем условно разделяют задачи на «простые» и «сложные». При выполнении простых задач вычислительные ресурсы, необходимые для поиска решения, пропорциональны степени числа используемых переменных, в сложных же необходимость в ресурсах растет по более крутой экспоненциальной кривой. Сложные задачи быстро выходят за пределы досягаемости классическими компьютерами. Экспоненциально возрастающая мощность квантовых компьютеров может дать больше огневой силы, делая задачи не совсем простыми, но, по крайней мере, менее сложными.