Ионный квантовый компьютер – перспективы и надежды
Наименьшей единицей информации при вычислениях с помощью обычных компьютеров является бит, который может принимать два значения – 0 или 1. В квантовых вычислениях такой единицей служит кубит, принимающий значение 0 или 1 лишь с некоторой вероятностью, то есть его значение выражается суперпозицией 0 и 1.
Физической реализацией бита для обычных компьютеров сегодня служит полупроводниковый транзистор. Физическая реализация кубита – несравненно более сложная задача. Ведь он должен представлять собой квантовую систему с двумя энергетическими уровнями, один из которых принимается за 0, а второй – за 1. Но не это самое сложное.
Соединить миллиарды транзисторов в интегральную схему на современном уровне технологий достаточно просто. Соединить даже два кубита так, чтобы изменение квантового состояния одного влияло на состояние другого, – нетривиальная задача. Такое соединение кубитов называется запутанностью. Впрочем, некоторые российские физики предпочитают термин «перепутанность».
Сейчас предлагается огромное количество физических систем для квантовых вычислений. На многих из них реализованы однокубитные операции, то есть возможность управлять состоянием одного изолированного кубита. Но знаком качества для такой системы и признаком её практической применимости является реализация двухкубитных операций, для чего эти кубиты требуется ввести в перепутанное квантовое состояние.
«Разных физических систем предлагается много, но основные лидирующие – это сверхпроводники, ионы, нейтральные атомы, твердотельные и фотонные системы, – рассказал директор ФИАНа, член-корреспондент РАН Николай Колачевский. – И везде разный тип взаимодействия кубитов, разная физика».
Кубит ионного компьютера физически реализуется в виде внутренних электронных состояний иона. Грубо говоря, если электрон иона находится на одной орбите – это 0, если он возбуждается и перескакивает на другую орбиту – это 1. Управлять состоянием иона можно с помощью лазерного излучения.
То обстоятельство, что ион обладает электрическим зарядом, имеет два практических следствия. Во-первых, ионы можно «подвесить» во внешнем электромагнитном поле в так называемой ионной ловушке. Во-вторых, ионы отталкиваются друг от друга благодаря кулоновским силам и выстраиваются в цепочку на расстоянии 5-10 микрон друг от друга. Благодаря этому же кулоновскому взаимодействию реализуется перепутанное состояние между ними. Возбуждение передается через совместные колебательные моды.
Результатом напряженной работы ученых ФИАНа стало создание прототипа ионного компьютера, о чём сообщает новостной сайт Российской академ ии наук ras.ru.
Ускорить прогресс в повышении достоверности операций специалистам ФИАНа позволил своего рода «ход конём» – использование вместо кубитов так называемых кудитов.
«Под кубитом понимается двухуровневая система, когда в сложной физической системе выбираются два уровня – энергетических интервала – для реализации операции состояния 0 и 1, – объясняет Николай Колачевский. – Но обычно в физических системах таких уровней больше и можно выбрать не два, а три, четыре или пять. Все системы с уровнем больше двух называются кудитами».
Кудит с 4 уровнями называет куквартом. Его квантовое состояние определяется суперпозицией не только 0 и1, а четырёх уровней – 0-1-2-3. Доказано, что такая система полностью эквивалентна квантовому пространству двух кубитов. То есть вместо того, чтобы перепутывать два кубита со всеми сложностями этого процесса, можно взять один ион, в котором электрон может переходить не между двумя, а между четырьмя орбитами. Такими свойствами обладают, к примеру, ионы иттербия-171.
Хорошо известно, что среди определенной части научного сообщества растёт скептицизм в отношении перспектив создания полезного квантового компьютера в обозримом будущем. Вот и в ходе этого заседания один из участников заметил, что разработка квантовых компьютеров напоминает ситуацию с термоядом, где в теории тоже всё понятно, но на практике уже много десятилетий ничего не получается.
Действительно, если бы можно было имплементировать закон Мура к квантовым вычислителям, то мы уже сейчас должны были быть сильно впереди по отношению к тому, где мы есть. Опасения, что может сложиться та же ситуация, как с высокотемпературной проводимостью или теромядом, безусловно, есть, но, с другой стороны, и то, и другое направление живёт уже много десятилетий и, по крайней мере, это очень интересно.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников