Ричард Фейнман выдвинул идею о квантовых компьютерах 40 лет назад. Тогда персональные компьютеры уже были на многих столах, но реализовать идеи Фейнмана и Юрия Манина оказалось сложнее ожидаемого. Два десятилетия ученые и инженеры по всему миру исследуют различные способы воплощения квантовых битов в физических носителях.
Если первая квантовая революцияНачало XX века было по существу революцией человеческих представлений об устройстве микромира, но сейчас на пороге второй квантовой революции — результат синтеза квантовых парадоксов и высоких технологий. Этот синтез произошел относительно недавно, каких-нибудь 20-30 лет назад. Правда, первые мысленные эксперименты, демонстрирующие во всей красе парадоксальность квантового мира (то, что действующие в нем законы неприменимы к привычному нам миру «больших» вещей), зародились в результате жарких споров между отцами-основателями квантовой механики еще в 1930-х. Интересно, что споры касались не математического аппарата квантовой механики, который к тому времени был практически закончен, а ее попыток истолковать странные законы микромира на привычном нам языке объектов макромира.
Необходимость интерпретировать квантовую механику проявляется лишь при её взаимодействии с макромиром. Проблема возникает, когда квантовые объекты начинают взаимодействовать с классическими объектами (например, измерительными приборами в лаборатории), что вызывает коллапс квантовой волновой функции в одно из возможных классических состояний. Эта проблема измерения разделила физиков, перешедших к квантовой теории, на два лагеря.
Нильс Бор возглавлял группу, разработавшую в Институте теоретической физики Копенгагена «копенгагенскую» интерпретацию квантовой механики. Центральное положение этой теории — вероятностное описание событий в микромире: свойства любой квантовой системы неопределенны до момента измерения. До измерения квантовая система находится в «суперпозиции» всех возможных состояний, а при каждом новом измерении мы получаем разные значения этих свойств — в зависимости от вероятностей их распределения. Например, электрон в атоме может находиться в суперпозиции двух энергетических состояний и при измерении половину времени испускать фотон с чуть большей энергией, а половину — с чуть меньшей.
Альберт Эйнштейн вместе с Эрвином Шрёдингером возглавлял группу физиков, недовольных вероятностным подходом «копенгагенской интерпретации». Эйнштейн и его коллеги выражали протест, разрабатывая каверзные примеры, демонстрирующие неполноту квантовой механики. Например, известен вопрос Эйнштейна к Бору: «А существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит?». Хотя Луна — классический объект, не подчиняющийся вероятностным законам квантовой механики, в претензиях ученого все-таки была определенная логика.
Существует ли Луна, даже если ее никто не наблюдает?
Продолжая свою позицию в переписке со Шрёдингером, Эйнштейн косвенно побудил его к созданию известного мысленного эксперимента с котом. Этот самый «кот Шрёдингера» предназначался для демонстрации абсурдности возможности существования макроскопического объекта — кота — в квантовой суперпозиции состояний («кот жив» и «кот мертв») до момента открытия коробки с ним. Более того, в своём эксперименте Шрёдингер не просто перенес законы микромира на вполне себе макроскопического кота, а связал его с квантовым объектом — радиоактивным атомом, случайный распад которого и определяет исход эксперимента. В современном языке такое состояние называется «связанным» или «запутанным».
Все эти интерпретации и мысленные эксперименты заложили прочную теоретическую основу для экспериментов, которые физики смогли провести лишь спустя полвека благодаря развитию микроэлектроники, информационных технологий и научно-инструментальной базы. Именно этот прогресс позволил манипулировать отдельными квантовыми объектами. К концу 1980-х годов нанотехнологии подготовили научный мир к воплощению в жизнь самых смелых квантовых экспериментов, о которых мечтали Бор, Эйнштейн и Шрёдингер.
Как представить себе квантовое состояние?
Отложим сюжет ненадолго и представим себе суперпозицию состояний одного кубита: можно представить это в виде сферы, названной в честь лауреата Нобелевской премии Феликса Блоха. На вертикальной оси, проходящей через центр сферы, находятся базисные состояния кубита — классические значения 0 и 1, которые получаются при его измерении. Само квантовое состояние суперпозиции задается вектором, проведенным из центра сферы до любой точки на ее поверхности.
Чем ближе точка к вертикали, тем больше квантовое состояние приближается к классическому, а чем ближе к экватору — тем случайнее результат его измерения. Измерение состояний кубита – это проекция вектора состояния на вертикальную ось или определение коэффициентов суперпозиции базисных состояний. Из-за вероятностной природы квантовой механики для получения достоверного результата нужно провести много измерений. В реальных экспериментах из-за шумов вектор измерения часто короче и указывает не на точку поверхности сферы Блоха, а внутри нее.
Визуализировать квантовое состояние систем из нескольких кубитов сложнее, чем для одиночных кубитов. Каждый не взаимодействующий кубит можно представить сферой Блоха, но общее состояние суперпозиции запутанных кубитов таким образом представить невозможно. В этом случае используют матрицу плотности, коэффициенты которой проще визуализировать. Процесс измерения этих коэффициентов называется «квантовой томографией» — реконструкцией неизвестного квантового состояния с помощью последовательности повторных измерений, которая является финальным этапом выполнения любого квантового алгоритма.
Пророческий дар Фейнмана
В середине XX века Ричард Фейнман, знаменитый физик, нобелевский лауреат и популяризатор науки, сыграл заметную роль в зарождении нанотехнологий как самостоятельной области знаний. В конце 1959 года на встрече Американского физического общества он прочитал лекцию «Внизу много места: приглашение войти в новую область физики». В ней Фейнман обсуждал возможность манипулирования материей на уровне отдельных атомов, создание новых типов микроскопов для исследования наномира, автономных молекулярных машин и крошечных хирургических роботов.
Хотя речь Фейнмана середины XX века могла показаться фантастической, многие его идеи воплотились в последующие десятилетия.
Термин «нанотехнологии» появился в научной терминологии в 1974 году благодаря японцу Норио Танигути и американскому ученому Эрику Дрекслеру. Дрекслер часто называют «отцом нанотехнологий». В 1986 году книга Дрекслера «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии» вызвала общественный резонанс и повлияла на создание американской национальной программы по нанотехнологиям.
В 1980-х годах были изобретены новые типы микроскопов для исследования и визуализации объектов на наномасштабе: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ). Чуть позже эти инструменты стали использоваться не только для наблюдения, но и манипуляции отдельными нанообъектами, вплоть до единичных атомов.
В 1981 году, через двадцать лет после своего манифеста о нанотехнологиях, Фейнман прочитал лекцию, которая привлекла внимание научных кругов и вошла в историю науки. На этот раз предложенная идея казалась еще радикальнее: создание нового типа вычислительных машин — квантовых компьютеров, работающих по законам квантовой физики и позволяющих использовать всю ее парадоксальную мощь для совершения молниеносно-быстрых вычислений. Примерно в то же время идея квантовых вычислителей появляется в работах американского физика Пола Бениоффа, а также советского ученого Юрия Манина.
Внесение дополнительного электрона в квантово-механическую систему (атом или молекулу) удваивает сложность решения уравнения Шрёдингера, которое моделирует её поведение.
В отличие от коллег Фейнман в лекции больше внимания уделял возможности быстрого и точного моделирования произвольных квантовых систем на квантовых компьютерах. По его словам, вычисления — любой произвольный алгоритм, а моделирование — узкий класс задач, решаемых за счет свойств самой системы. Такое моделирование остается экспоненциально-сложной задачей для первых ЭВМ и современных суперкомпьютеров. Добавление электрона в квантово-механическую систему (атом, молекула) усложняет решение уравнения Шрёдингера более чем вдвое. Поэтому точные расчеты систем с большим количеством электронов становятся крайне ресурсозатратными, хотя такие системы представляют основной практический интерес. Ведь в жизни и науке мы сталкиваемся не только с атомами водорода, но и со сложными молекулами с большим количеством электронов.
Квантовый компьютер, более точно – «квантовый симулятор», решает подобные задачи в экспоненциально меньшее время. Такая скорость достигается благодаря тому, что все операции в нем выполняются с квантовыми объектами – кубитами. одновременноБлагодаря принципу суперпозиции возможны все значения между двумя крайними. Взаимодействующие несколько десятков кубитов формируют общее состояние суперпозиции, которое классический компьютер не сможет описать даже с огромным объёмом памяти. Система кубитов может естественно симулировать поведение атомов или молекул, так как квантовый симулятор использует необходимые квантовые эффекты по умолчанию, что экономит ресурсы по сравнению с классическими компьютерами.
Пророчество сбывается
Реализация смелых идей Фейнмана и его коллег не представляла собой легкую задачу. Лишь в конце 1990-х года ученым удалось провести первые эксперименты, давшие возможность контролировать изолированные квантовые системы с необходимой точностью. Такое отставание эксперимента не помешало бурному развитию теории квантовой информации и квантовых вычислений в течение полтора десятилетия после лекции Фейнмана. Благодаря работам ряда ученых в начале 1990-х годов появились первые квантовые алгоритмы — Дойча — Джозы и Бернштейна — Вазирани, демонстрирующие квантовое ускорение по сравнению с классическими. Чуть позже, основываясь на трудах канадца Дэна Саймона, американский теоретик Питер Шор разработал квантовый алгоритм разложения чисел на простые сомножители.
Алгоритм Шора стал отправной точкой для широкого интереса к квантовым компьютерам, в том числе у организаций по обеспечению компьютерной безопасности.
Как связан разложение чисел на простые множители с кибербезопасностью? Для обычных компьютеров факторизация намного сложнее умножения двух чисел (особенно больших), и этот факт используют некоторые алгоритмы шифрования данных.
RSA (аббревиатура от имен создателей — Rivest, Shamir и Adleman) стал настолько распространенным методом защиты данных в сети, что сейчас сложно найти сайт или приложение, которые бы его не использовали (например, в составе протокола SSL, необходимого при оплате банковскими картами в интернете). С появлением алгоритма Шора стало известно, что все эти зашифрованные данные можно достаточно быстро расшифровать, даже не зная ключей шифрования. Остается только собрать квантовый компьютер, запустить на нем алгоритм Шора (находящийся в свободном доступе), и любые банковские транзакции или секретная переписка окажутся в вашем распоряжении!
Сборке квантового компьютера понадобилось около двадцати лет работы ученых и инженеров. Первоначально кандидатами в кубиты стали органические молекулы в растворах, управление которыми осуществлялось с помощью метода ЯМР. В 1998 году американские физики продемонстрировали первый квантовый процессор на базе ЯМР, состоящий из двух кубитов. На нем же был показан алгоритм Гровера, позволяющий быстро находить информацию в несортированных базах данных, опубликованный за два года до этого. К началу 2000-х число кубитов в ЯМР-системах достигло семи, и именно на них впервые продемонстрировали работающий алгоритм Шора (хотя он смог разложить лишь доступное для манипуляций число 15).
Масштабирование подхода затруднено из-за диффузии и шумов в жидкостях, хотя частично оно развивается в твердотельных системах (например, дефектах в алмазах). Подобная технология с использованием электронных спинов вместо ядерных реализуется в спиновых кубитах. квантовых точках в полупроводниках.
С появлением ЯМР-кубитов как аппаратной платформы для квантовых вычислений были предложены нейтральные атомы и ионы, заключенные в специальные электромагнитные ловушки. Начав с одного ионного кубита в середине 1990-х годов, сегодня такие квантовые процессоры насчитывают уже два десятка полностью взаимодействующих кубитов. Количество атомов и ионов в специализированных квантовых симуляторах, не требующих всеобщего связывания кубитов, перевалило за две сотни. Кроме нескольких нобелевских лауреатов, работающих над развитием этой технологической платформы, ее поддерживают крупные компании (Honeywell, Infineon) и технологические стартапы (ColdQuanta, IonQ, Atom Computing).
Идея Фейнмана использовать фотоны для реализации кубитов тоже набирает популярность. Ранее её привлекательность была ограничена тем, что фотоны не взаимодействуют друг с другом при использовании обычных оптических элементов, но научная статья, вышедшая на рубеже 2000-х годов, предложила новую парадигму линейных квантово-оптических вычислений (KLM-протокол).
В этом протоколе суперпозиция возникает за счет взаимодействия фотонов в системе интерферометров. Вместе с бозонным семплингом, появившимся позже, этот подход стал набирать популярность благодаря развитию интегрированной фотоники.
Среди компаний, продвигаящую эту платформу квантовых вычислений, такие как NTT, PsiQuantum, Xanadu, QuiX, Sparrow Quantum, ORCA Computing и другие.
Следующий претендент на роль идеального строительного блока для универсальных квантовых компьютеров отличается от предыдущих по размеру. В отличие от атомов и фотонов, сверхпроводящие кубиты обладают макроскопическими размерами, часто достигающими сотых долей миллиметра. Квантовые состояния в таких системах возникают благодаря эффекту макроскопического квантового туннелирования при протекании тока через небольшой барьер в кольце сверхпроводника (джозефсоновский переход, названный по имени Брайана Джозефсона). Первые кубиты на основе джозефсоновских переходов продемонстрировали в Японии в 1999 году, а к 2016-му появились процессоры с десятком сверхпроводящих кубитов.
Технологические компании, такие как Google и IBM, участвующие в развитии этой области, достигли показателя в 50 сверхпроводящих кубитов. Цель — перейти через рубеж в 100 работающих вместе кубитов в течение ближайших двух лет. По теоретическим расчётам, компьютер на 100 кубитах должен быть в тысячу триллионов раз быстрее компьютера на 50 кубитах, но на практике ситуация может отличаться.
Растущая область квантовых вычислений удивляет не только количеством кубитов, но и улучшением характеристик отдельных кубитов, операций между ними (квантовых гейтов), считывания и записи квантовых состояний, а также интерфейсов доступа к кубитам и инструментов для создания квантовых алгоритмов. Программа IBM Quantum Experience, запущенная в 2016 году, предоставила всем желающим через интернет доступ как к собственным программным симуляторам, так и к реальным квантовым процессорам, сделав квантовые вычисления несравненно доступнее для массового использования.
Многие крупные компании запустили платную подписку на доступ к своим квантовым ресурсам. В 2019 году IBM представила первый коммерчески доступный квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах IBM Quantum One (первую такую систему установили в Исследовательском центре Фраунгофера в Германии). Несколько высокотехнологичных стартапов: IQM, Rigetti, Quantum Circuits, Seeqc и другие, готовятся выйти на рынок с похожими предложениями.
Развитие области квантовых технологий в России идёт похожим путем. Первые практические исследования начались около десяти лет назад, а сейчас параллельно развиваются сразу несколько перспективных направлений физической реализации квантовых процессоров (сверхпроводники, ионы и нейтральные атомы, фотоны). Такой скачок стал возможен благодаря активной грантовой поддержке, позволившей создание современных лабораторий, а также принятию правительством в 2019 году дорожной карты «Квантовые технологии». В рамках этой программы за создание квантового процессора отвечает «Росатом», под эгидой которого собраны лучшие лаборатории и исследовательские центры, имеющие экспертизу в этой области.
Когда ждать появления полноценных квантовых компьютеров в домах или хотя бы в университетах? Какие препятствия мешают им выйти на рынок сейчас? На эти и другие актуальные вопросы о квантовых компьютерах и возможностях их применения мы ответим в предстоящей статье нашей серии.
Продолжаем серию статей о квантовых компьютерах. спецпроектаВ союзе с Homo Science. Первую главу можно прочесть по… ссылке.
