Раскрыты секреты работы первого в мире 51-кубитного квантового компьютера

Российские и американские физики рассказали о принципах работы первого в мире 51-кубитного квантового компьютера. О создании этой вычислительной машины ученый Михаил Лукин сообщил на конференции ICQT-2017, которая прошла в Москве летом этого года.

 

«Подобные машины можно использовать не только для науки, но и решения оптимизационных задач. Похоже, что мы можем решить очень сложные проблемы, управляя положением атомов и тем, как они взаимодействуют друг с другом», – отметил специалист на страницах журнала Nature.

По его словам, пока неясно, будут ли квантовые алгоритмы быстрее их классических конкурентов, тем не менее в настоящее время ученые вплотную приблизились к их проверке на практике при помощи квантовых систем, которые содержат в себе сотни кубитов.

Отметим, что квантовые компьютеры – особые вычислительные устройства, мощность которых возрастает экспоненциальным образом благодаря использованию в их работе законов квантовой механики. Данные устройства состоят из кубитов  – ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, которые могут хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.

Сегодня есть два основных подхода к разработке таких устройств  – классический и адиабатический. Сторонники первого пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Адиабатический компьютер проще создать, однако он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала прошлого века.

В 2016 году сразу несколько групп ученых и инженеров из США, Австралии и других стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Прежде всего речь шла о команде Джона Мартиниса из  Google. Она разработала «гибридный» вариант универсального квантового вычислителя, который сочетает в себе элементы классического и адиабатического устройств.

Профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин неожиданно опередил Мартиниса в этой гонке. В июле он заявил о том, что его команде удалось создать 51-кубитную машину. Он пообещал рассказать о принципах ее работы и устройства в одном из ведущих научных журналов.

 

«В нашем компьютере все происходит внутри небольшой вакуумной камеры, внутри которой находится очень разреженное облако из атомов, охлажденных до околонулевых температур. Когда мы «обстреливаем» это облако примерно сотней лазерных лучей, каждый из них превращается в ловушку, которая удерживает в себе ровно один атом и в принципе не может содержать два атома. После этого начинается все самое интересное»,  – рассказал Лукин.

В данном случае роль кубитов играют особые частицы, которые физики называют «атомами Ридберга». Это атомы рубидия-87 или других щелочных металлов, чей свободный электрон был «отодвинут» на огромное расстояние от ядра при помощи особых лазерных или радиоволновых импульсов. Это позволяет увеличить размеры атома в миллион раз. Этими «атомами» проще манипулировать, чем их обычными «кузенами». Кроме того, они обладают полезным свойством для квантовых компьютеров – они отталкивают друг друга и взаимодействуют друг с другом на  больших расстояниях.

Лукин и его команда превратили набор из нескольких десятков подобных «атомов» в адиабатический квантовый компьютер, работой кубитов которых ученые могут управлять, обстреливая их еще одним лазером. Этот, как и аналоговые квантовые машины, работает без вмешательства со стороны ученых благодаря квантовым взаимодействиям атомов Ридберга между собой. Они происходят после того, как физики временно отключают лазеры, удерживавшие их на месте во время «настройки»  вычислительной машины.