квантовый вентиль

Короткая вспышка света похожа на музыкальную фразу: в ней можно различить отдельные ноты, если слушать очень внимательно. Но в квантовом мире такие «ноты» — временны́е моды — сжаты до пикосекунд (триллионных долей секунды), и обычная оптика их почти не различает.

Стиральная машина иногда рвёт бельё. Чтобы получить целую рубашку, вы стираете несколько, а потом из уцелевших частей собираете одну. Примерно так же квантовый компьютер обращается с «магическими состояниями» — особыми квантовыми заготовками, без которых невозможны сложные вычисления, выходящие за рамки классических алгоритмов.

Сверхпроводящие кубиты — бьющееся сердце квантовых компьютеров, но их ритм сбивает декогеренция: квантовость растворяется в шуме. Традиционные архитектуры либо теряют точность управления, либо полагаются на магнитные поля — а те, как незваные дирижёры, вносят перекрёстные помехи.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — кубит — должен играть свою партию точно и вовремя. Обычно музыкантов рассаживают на фиксированные места и соединяют проводами-пультами. Но что, если позволить им свободно передвигаться по сцене, а само движение превратить в часть музыки?

Атом — как дирижёр, а свет в резонаторе — оркестр. Обмен энергией между ними, известный как взаимодействие Джейнса–Каммингса (часть Стандартной модели), позволяет атому взмахами «палочки» менять ритм и тембр колебаний.

Квантовые компьютеры в облаке напоминают почтовое отделение: вы отправляете письмо, и кто-то чужой читает адрес и содержимое. В обычных вычислениях сервер видит ваши данные и алгоритм. А слепые квантовые вычисления — это конверт, который нельзя вскрыть: сервер выполняет работу, но не знает, что именно делает.

Четыре музыканта играют слаженно, только если держатся за руки. В квантовом мире такую цепочку образуют четыре электрона в четырёх соседних квантовых точках — крошечных ловушках для заряда. Это основа SAGE-кубита (от английского «всегда включённый бесщелевой обмен на синглетах»).

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.

Добыча биткоина похожа на лотерею: майнеры перебирают миллиарды чисел, чтобы найти одно счастливое. Обычный компьютер делает это вслепую, тратя электричество. Квантовый компьютер мог бы перебирать варианты быстрее — как если бы искал иголку в стоге сена, встряхивая весь стог разом. Авторы новой работы посчитали, во что обойдётся такой квантовый «встряхиватель» в реальности.

В сверхпроводящем резонаторе свет не просто отражается — он обнимает кубит так крепко, что их общий танец уже не описать старыми учебниками. Исследователи взяли нанопроволоку из арсенида индия, сделали из неё сверхпроводящий кубит и поместили в микроволновый резонатор.

Квантовый компьютер на ионах похож на люстру с десятком подвесок: дёрнешь одну — закачаются все. Каждый ион — это кубит, но когда их много, их совместные колебания переполняют сцену. Любое воздействие на одну пару задевает соседей, и вычисление портится. Авторы нашли способ толкать ионы сбоку, а не спереди.

Квантовый компьютер на спинах электронов похож на ряд крошечных волчков. Каждый волчок крутится либо по часовой, либо против — это и есть кубит. Чтобы узнать результат вычисления, волчок обычно останавливают и смотрят, куда он упал. Но если волчков много, на каждый нужен отдельный «глаз» — лишний кубит-помощник.

Каждый кубит — квантовый бит информации — представлен замкнутым кольцом, свободно скользящим по поверхности тора (фигура, похожая на бублик). Вся квантовая логика сводится к плавным топологическим движениям: сдвиг вдоль поверхности, переворот, соединение траекторий.

Кубит — как жилец в крошечной квартире: обычно он занимает нижний этаж, чтобы не отвлекаться на соседей сверху. В германиевых квантовых точках, где живут спиновые кубиты, этот жилец — дырка, то есть место без электрона. У дырки есть спин, который работает как крошечная магнитная стрелка.

В кристалле карбида кремния, похожем на прозрачный камень, спрятаны дефекты — места, где атомы встали не в ряд. Один такой дефект работает как квантовый узел: электрон внутри него крутится и обрабатывает информацию, а ядро соседнего атома тихо хранит её. Раньше эти двое почти не общались — мешал шум от тепла и магнитных полей.

На столе лежит горсть круглых магнитиков. Пока их не трогают, они лежат как попало. Но стоит пустить через них короткий импульс тока — и каждый диск перещёлкивается: северный полюс меняется местами с южным. Соседние диски при этом толкают друг друга своими полями, как люди в тесной очереди, и вся горсть выстраивается в узор, который зависит от того, с какой стороны дул магнитный ветер и насколько тепло вокруг.

Квантовый компьютер — это не монолит, а скорее оркестр, где каждый кубит должен играть свою партию, не заглушая соседей. В ионных машинах для этого используют два типа кубитов: одни хранят информацию, другие её обрабатывают. Раньше для каждого типа требовался свой лазер, как для скрипки и трубы — отдельные дирижёрские палочки.

Внутри крошечного кристалла звук заперт, как свет в зеркальной комнате. Он отражается от стенок и образует стоячие волны — множество гармонических колебаний, каждое со своей частотой. Физики научились использовать эти колебания как кубиты — базовые ячейки квантовой информации.

Согласно голографической гипотезе, наш трёхмерный мир — это проекция с двумерной поверхности. От такой Вселенной иногда отделяются крошечные замкнутые пузырьки — вселенные-малютки. Долгое время их считали пустыми, лишёнными внутреннего разнообразия. Исследования показали, что информация внутри них распределена фрагментарно, словно осколки разбитого зеркала.

Одиночный ион, удерживаемый в электромагнитной ловушке, дрожит подобно качелям, и каждое колебание вносит ошибку в квантовые вычисления. Традиционно эту дрожь подавляют охлаждением почти до абсолютного нуля — громоздкое и дорогое решение.

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.