квантовый процессор IBM

Длинный путь можно пройти, а можно свернуть его в короткий маршрут, не потеряв ключевых ориентиров. В квантовых вычислениях роль такого пути играет эволюция состояния во времени: она требует всё более длинных цепочек операций, и на реальном процессоре быстро тонет в шуме. Физики нашли способ сжимать каждый шаг эволюции в компактную настраиваемую схему, сохраняя точность выше 99%.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Квантовая лаборатория похожа на кухню, где повар ждёт сутки, пока остынет плита. Сверхпроводящие кубиты работают только при температуре в сотые доли кельвина, и каждый цикл «охладить — измерить — согреть» съедает день. Группа инженеров построила холодильник размером с дыню и массой 3 кг, который справляется за два часа.

Чёрная дыра — это лабиринт, из которого не выбраться. Но что происходит с информацией внутри? Чтобы проверить это, физики не полетели к ближайшей дыре, а собрали её крошечную копию на квантовом процессоре. Роль лабиринта сыграла цепочка из 32 сверхпроводящих кубитов, где каждый шаг ведёт только вперёд — как в коридоре с односторонним движением.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый инструмент — кубит (квантовый бит, способный находиться в суперпозиции состояний), а дирижёр — управляющий процессор. Дирижёр должен не только задавать темп, но и вовремя менять партитуру, если солист сыграл неожиданно.

Жидкость, обтекающая препятствие, рождает вихри и ударные волны. Описать их поведение — значит решить нелинейное уравнение, в котором скорость течения зависит от самой себя. Классические суперкомпьютеры тратят на это дни, а квантовые до сих пор почти не применялись: их естественный язык — линейные операции, а жидкость «нелинейна» по своей природе.

В мире квантовых частиц есть свои «интроверты» — энионы. Это квазичастицы, которые не похожи на привычные электроны или протоны: если двух таких «интровертов» поменять местами, они запоминают этот манёвр, словно оставляя невидимый след в квантовом состоянии системы.

Горячий кофе иногда замерзает быстрее, чем холодная вода из-под крана. Этот парадокс, известный как эффект Мпембы, долго считали курьёзом классической физики. Теперь его квантовый аналог помог проверить и откалибровать квантовые процессоры — устройства, которые в будущем станут основой сверхмощных компьютеров.

В кастрюле с супом каждая крупинка — крошечный магнит, который хочет развернуться в противоположную сторону от соседа. Нагрейте суп — и магнитики начнут метаться, подчиняясь теплу. Но как узнать, насколько они непослушны при каждой температуре? Для обычного вещества это считают на мощных компьютерах, перебирая варианты.

Если долго и плавно нести чашку с кофе по комнате, а потом вернуться на то же место, с напитком ничего не случится. Но в квантовом мире всё иначе: частица, совершившая такой же круг, возвращается не совсем той же. Она приобретает неуловимый «довесок» — геометрическую фазу, которую физики называют фазой Берри. Эта добавка зависит только от формы маршрута, а не от времени в пути.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно надуваемый шар — она раздувалась так быстро, что свет не успевал догнать собственные края. Потом этот бешеный разгон сменился спокойным расширением. Шар перестали надувать, и он начал медленно сдуваться. В момент смены режимов пустота не осталась пустой: из неё, словно из перегретого котла, выплеснулись пары частиц.

Ряды проводов, тянущихся из тёплой комнаты в холодильник с квантовым чипом, напоминают запутанный телефонный узел прошлого века. Каждый кубит требовал своего аналогового канала для точной настройки, а кабели несли лишнее тепло и путались под руками. Теперь исследователи поставили цифро-аналоговый преобразователь прямо в холодную зону, рядом с кубитами.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр пытается уловить общую мелодию. Примерно так физики смотрят на электроны в купратах — керамических материалах, которые проводят ток без сопротивления при температуре выше жидкого азота. Главные действующие лица — атомы меди и кислорода. Между ними электроны перепрыгивают, взаимодействуют и создают удивительный эффект.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию идеально, иначе мелодия рассыплется. Раньше для управления кубитами — квантовыми «музыкантами» — требовалась целая комната оборудования, и каждый лишний провод добавлял шума.

Восемнадцать крошечных ячеек выстроились в два ряда на кусочке германия. Каждая ячейка — это квантовая точка, ловушка для одного электрона, чей спин работает как кубит. Раньше такие системы удавалось собирать лишь по несколько штук, а здесь — целая решётка, работающая как единый ансамбль.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но стоит дирижёру взмахнуть палочкой чуть сильнее — и тончайшие инструменты расстраиваются от лишнего тепла. Управлять кубитами при температуре 10 мК (в 300 раз холоднее морозилки) — всё равно что дирижировать оркестром в ледяном зале, где даже дыхание может всё испортить.

Кубик льда в чае тает без следа — так и квантовые системы обычно быстро забывают своё прошлое, переходя в состояние термодинамического равновесия. Однако при сильном беспорядке возникает явление локализации многих тел: частицы словно застывают на месте, сохраняя память о начальной конфигурации.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый кубит — музыкант, играющий свою партию. Но в зал время от времени врывается космический луч, и скрипач вздрагивает, сбиваясь с ритма. Эти частицы из далёкого космоса пронзают чип, выбивают лишние электроны и портят хрупкую квантовую музыку.

Кастрюля с водой на плите — просто вода, но внутри каждой молекулы идёт непрерывная пляска. Атомы водорода и кислорода дрожат, даже при абсолютном нуле, потому что так устроен квантовый мир. Эти дрожания меняют, сколько тепла запасает вода и как она течёт.

Внутри протона кварки перетягиваются глюонами, как пружинками. Отпусти один кварк — пружинка натянется и лопнет, породив новый кварк. Так работает сильное взаимодействие, и просчитать его в реальном времени на обычном компьютере почти невозможно: вариантов слишком много, и все они переплетены. На сцену выходит квантовый компьютер.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант-кубит должен играть свою ноту без фальши. Но время от времени в зал врывается прохожий — частица радиации из космоса — и сбивает музыкантов с ритма. Такие сбои называют всплесками ошибок, и они мешают вычислениям.

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные обычным машинам, но их сердце — кубиты — требует сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Управлять кубитами и считывать их состояние обычно приходится из тёплой комнаты, протягивая через холодильник множество кабелей.

Квантовый компьютер похож на капризный оркестр: каждый кубит — музыкант, который слышит малейший шум и сбивается. Чтобы сыграть сложную симфонию вычислений, нужны сотни инструментов, настроенных в унисон.

Внутри каждой клетки постоянно идут химические реакции — как на крошечной кухне, где белки-повара готовят нужные вещества. Но увидеть, как именно повар готовит блюдо, мешает толпа других молекул вокруг.

Два электрона в узкой трубке не хотят быть рядом. Оба несут отрицательный заряд и расталкивают друг друга, как два магнита, повёрнутые одинаковыми полюсами. Если трубка совсем тонкая, им не разойтись в стороны — остаётся только выстроиться друг за другом. Физики называют это вигнеровской локализацией: частицы занимают фиксированные места, словно бусины на натянутой нитке.

Оркестр играет внутри огромного холодильника. Музыканты — это кубиты, элементарные ячейки квантового компьютера. Чтобы они звучали слаженно, нужна тишина: тепловые шумы заглушают мелодию. Поэтому сердце квантового процессора охлаждают почти до абсолютного нуля — минус 273 градуса Цельсия. Но музыку нужно вывести наружу, к слушателям.

Кубит — фундаментальная единица квантовой информации — подобен мыльному пузырю: малейшее возмущение разрушает его хрупкое состояние. На Земле гравитация тянет «пузыри» вниз, порождая вибрации, а тепловое движение атомов добавляет дестабилизирующую дрожь.

В новом процессоре Helios 98 ионов бария движутся по замкнутому маршруту в электромагнитной ловушке, словно лошадки на карусели. Такая архитектура — кольцевой регистр — позволяет любому иону обмениваться квантовой информацией с любым другим напрямую, делая систему гибкой и масштабируемой.

В обычных проводах электроны движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и с атомами решётки, — это порождает электрическое сопротивление, превращая часть энергии в тепло.

В квантовом мире шум обычно разрушает упорядоченное поведение, подобно тому как случайные толчки гасят маятник. Однако на квантовых процессорах IBM физики обнаружили обратный эффект: структурированный шум способен продлить и даже создать ритмичные колебания. Это напоминает маятник, который от беспорядочных, но внутренне согласованных толчков раскачивается сильнее.

В сердце сверхпроводника электроны сливаются в куперовские пары и движутся без сопротивления. Но если в этом идеальном порядке возникает вихрь — крошечная область, где сверхпроводимость исчезает, — там появляются особые возбуждения: боголюбовские квазичастицы.

В тёмной лаборатории, где сверхпроводящие чипы охлаждены до тысячных долей кельвина, кубит крутится под действием магнитного поля. Обычный кубит поворачивается в одну сторону. Антикубит — его зеркальный двойник — в противоположную. Вместе они образуют пару, которая чувствует поле вдвое острее, чем любая обычная пара.

В 2019 году группа теоретиков задалась простым вопросом: что произойдёт, если в обычный квантовый компьютер встроить один-единственный необратимый элемент — вентиль, который чуть-чуть «съедает» вероятность? Ответ оказался убийственным. Любой такой вентиль, сколь угодно слабый, мгновенно превращает машину в устройство, способное решать задачи класса PostBQP = PP.

Масштабировать квантовый компьютер — всё равно что ткать паутину из света: каждая нить дрожит от теплового дыхания, грозя разорвать едва наметившийся узор.

Блокчейн сегодня похож на музыкальную шкатулку: мелодия (правила игры) впаяна в механизм, и чтобы сменить её, приходится разбирать всю конструкцию. Каждый раз, когда разработчики хотят изменить логику приложения, они вынуждены проводить форк — раскалывать сеть на две ветки, которые потом конкурируют между собой.

Квантовый компьютер напоминает оркестр, где каждый музыкант играет на невидимом инструменте. Вместо скрипок и труб — кубиты, хрупкие частицы, которые легко сбить с ритма малейшим теплом или шумом. Чтобы оркестр из миллионов таких музыкантов зазвучал слаженно, дирижёр должен стоять не в тёплом зале, а прямо на морозе, рядом с ними.