масштабируемый квантовый компьютер

Библиотекарь в хранилище редких книг берёт том с полки и кладёт его обратно, не разбудив задремавшего рядом кота. Примерно так работает новая квантовая память: она ловит фотон, прячет его в механическое колебание крошечного кремниевого мостика и возвращает по первому требованию.

В шумном зале переводчик пытается уловить каждое слово, но шорохи и эхо путают смысл. Примерно так же обычные компьютерные методы считают сложные квантовые системы: чем больше частиц и сильнее их связи, тем быстрее расчёты тонут в помехах. Группа физиков предложила новый подход — «Генератор Шрёдингера».

Данные в интернете путешествуют со скоростью света по оптоволокну. В классических сетях задержки не критичны, но для квантовой связи нужна идеальная синхронизация: фотоны — частицы света с закодированной информацией — должны сойтись на детекторе в один миг.

Калибровка квантового процессора — монотонный труд, требующий ювелирной точности: необходимо спектроскопически откалибровать каждый кубит — квантовый бит, элементарную вычислительную ячейку, — подобно тому как часовщик настраивает десятки шестерёнок, добиваясь идеального хода механизма.

Ловушка-невидимка из лазерного света удержала 11 тысяч атомов — рекордное число для квантовой инженерии. Ранее физики манипулировали лишь десятками таких частиц; теперь счёт пошёл на тысячи. Каждый атом становится кубитом — квантовым битом, который, в отличие от классического, может находиться в суперпозиции: одновременно и нулём, и единицей, подобно монете, крутящейся на ребре.

Обычный полевой транзистор похож на кран с очень чувствительной ручкой: чуть повернул — вода пошла. В холодных недрах квантового компьютера, где всё охлаждено почти до абсолютного нуля, такой кран должен открываться строго по команде.

Есть библиотека, где вместо книг — все мыслимые комбинации нескольких десятков квантовых частиц. Число этих комбинаций растёт как снежный ком: добавьте одну частицу — и объём удваивается. Для полусотни частиц полок уже больше, чем атомов в видимой Вселенной. Раньше считалось, что искать в этом хаосе состояния, пригодные для сверхточных измерений, — всё равно что выиграть в лотерею.

Два игральных кубика всегда выпадают одинаково, как бы далеко их ни раскидали. В квантовой физике такое поведение называют запутанностью, и она — главный ресурс для компьютеров будущего и защищённой связи. Но беда в том, что не всякую запутанность легко заметить.

Квантовый бит, или кубит, — фундаментальная единица квантовой информации — представляет собой крайне нежную конструкцию. Даже слабое тепловое воздействие способно разрушить его состояние, подобно тому как случайный толчок опрокидывает хрустальный бокал, разбивая его вдребезги.

Рыбак забрасывает сеть в тихую заводь. Чем длиннее верёвка, тем слабее он чувствует малейшую поклёвку — волна затухает по дороге. Но что, если бы сигнал не гас, а нарастал? Примерно такой фокус описывают авторы работы с ансамблем частиц, помещённых в поле со специальным «ступенчатым» перепадом силы.

Квантовый процессор похож на оживлённый перекрёсток: чем больше машин, тем труднее им разъехаться без аварий. В квантовом мире роль машин играют кубиты — элементарные носители информации, которые, в отличие от обычных битов, могут быть и нулём, и единицей одновременно.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен вступать точно в свой момент. Раньше, чтобы сыграть сложную партию, инструменты приходилось постоянно пересаживать — это долго и шумно. Новая схема под названием «архитектура чётности» оставляет всех на местах, а дирижёр просто меняет ноты.

Одна из главных нерешённых задач современной физики — объединение общей теории относительности, описывающей искривление пространства-времени под действием массивных тел, и квантовой механики, управляющей поведением частиц в микромире.

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.

Вместо миллионов жёстко закреплённых частиц — 10 000 атомов, работающих как костяшки на квантовых счётах. Каждая костяшка, или кубит, способна находиться в суперпозиции — быть и нулём, и единицей одновременно. Но главное — если при вычислении закрадывается ошибка, атомы можно физически передвинуть: будто пересобрать счёты на ходу, чтобы сбой не испортил результат.

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.

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 IBM Heron R3 справился с задачей, перед которой отступил классический метод. Речь о поиске основного состояния — самого низкого энергетического уровня системы из 49 квантовых битов. Классический метод SCI (selected configuration interaction) перебирает варианты, но на этой задаче он не нашёл правильный ответ.

Свет, проходя через линзу, слегка искривляется. Для оптического компьютера это как кривое зеркало для художника: изображение есть, но детали плывут. Машина Изинга на световых лучах решает задачи вроде укладки багажа или маршрута курьера. Но до сих пор ей приходилось смотреть только в маленький, самый ровный участок своего «зеркала».

Свет бежит по лабиринту из зеркал и светоделителей, но в конце пути не просто вспыхивает на детекторе — он меняет сам себя. В новом фотонном компьютере к привычным линейным схемам добавили нелинейные модули, и теперь свет может выполнять любые квантовые операции, а не только часть из них.

Кубиты в квантовом компьютере похожи на музыкантов в оркестре: каждый должен слышать остальных, иначе музыка развалится. Но если музыкантов соединить проводами намертво, они начнут мешать друг другу — так в сверхпроводящих чипах возникает нежелательное взаимодействие, которое портит вычисления.

На кремниевой пластине, похожей на микрорайон, кубиты — электроны со спином — живут в отдельных «домах». Раньше соседи общались только через забор, а теперь между ними проложили дорогу: по ней кубит едет к любой из четырёх остановок. Дорога — это шина, по которой электрон переносят, не теряя его квантовое состояние.

В тихой лаборатории на столе стоит прибор размером с микроволновку. Внутри него катушка плавно скользит вверх и вниз, а компьютер считывает электрические сигналы. Так выглядит настольная версия весов Ки-Блеза — устройства, которое связывает массу с квантовыми константами. Раньше такие весы занимали целую комнату и требовали команды инженеров.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию. Пока инструментов мало, дирижёр может управлять каждым отдельно. Но когда музыкантов тысячи, индивидуальные команды становятся неподъёмными. Физики из Принстона и Чикаго нашли способ дирижировать всем оркестром сразу, не теряя сложности музыки.

Квантовые устройства обычно держат в криостатах — больших термосах, где температура ниже, чем в открытом космосе. Ион эрбия, запертый в крошечной ловушке на кремниевом чипе, ломает эту традицию. Он работает прямо на столе, при комнатной температуре, и помнит квантовое состояние полмиллисекунды.

Создать световой импульс с точным, наперёд заданным числом фотонов — задача, напоминающая чеканку ровно 100 000 монет без единого дефекта. До недавнего времени физикам удавалось контролировать лишь несколько десятков таких квантов света.

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.

Огромный холодильник размером с платяной шкаф гудит, поддерживая внутри температуру ниже, чем в открытом космосе. В его сердце лежит кремниевый чип с крошечными сверхпроводящими петлями — кубитами. Но чтобы чип заработал, к нему тянутся десятки толстых медных кабелей от комнатной температуры.

Два сверхпроводящих кубита на одном чипе звучат чисто, как солисты в оркестре. Каждый из них — трансмон, кубит с пониженной чувствительностью к зарядовому шуму. Связаны они через перестраиваемый кулер — вспомогательный элемент, который настраивает силу взаимодействия между ними.

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.

Квантовый процессор на сверхпроводниках — как микроскопический мегаполис, запертый в криогенном холодильнике: улицы из сверхпроводящих линий, кварталы кубитов. Каждый житель требует тишины и холода, но расширять город внутри одного криостата всё равно что надстраивать небоскрёбы в тесном дворе — провода греют среду, шумы нарастают, когерентность грозит обрушиться.

Оркестр, где каждый музыкант играет на инструменте, который ломается от малейшего тепла. Дирижёр — это квантовый процессор, а музыканты — кубиты, хрупкие носители квантовой информации. Чтобы они звучали слаженно, нужен целый штат настройщиков, которые сидят в соседней комнате и передают команды через звукоизолирующую стену.

Один квантовый процессор — как один музыкант. Сыграть простую мелодию он может, но для симфонии нужен оркестр. Чтобы решать задачи, требующие огромных вычислений, процессоры нужно соединять в сеть.

Суперкомпьютер, моделирующий поведение лазерной плазмы, похож на кухню, где сотни поваров готовят одно блюдо. Если у одной плиты столпились десять человек, а у другой никого, работа встанет. Так и в расчётах: частицы плазмы скапливаются в одних участках пространства, оставляя другие почти пустыми. Процессоры, которым достались «горячие» зоны, трудятся на износ, а остальные ждут.

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.