Российский квантовый компьютер

      Комментарии к записи Российский квантовый компьютер отключены

Российский квантовый компьютер

    Прямо под криостатом примостились эксперты Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» Евгений Глушков (справа) и Кирилл Шульга, оба — воспитанники столичного физтеха. Сердце опыта На печатной плате находится чип. На нем возможно разглядеть яркие квадратики — это площадки, на каждой из которых в окружении множества сверхпроводящих колечек находится кубит.
    Отходящие от них прямые отрезки — не что иное, как резонаторы. Очевидное преимущество Таблица слева иллюстрирует состояние регистра из трех хороших битов, а таблица справа — состояния регистра из трех кубитов. Так выглядит кубит под электронным микроскопом.
    Видно, что сверхпроводящее «кольцо» в действительности имеет форму прямоугольника. На нем нетрудно подметить три «излома» — это джозефсоновские переходы. Массивный инструмент на переднем замысле — это бондер Он рекомендован для прикрепления проволоки конкретно к чипу кристалла.
    А за ним через стекло возможно замечать святая святых Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов — чистую помещение, в которой уже монтируется оборудование для производства микрочипов без помощи предприятий. Чистая помещение разрешит ученым оперативно контролировать на практике идеи, которые связаны с топологией микрочипов. Холодильник экстра-класса На фото прекрасно видны подробности криостата, а также блестящая камера растворения, скрытая за светло синий контактами.
    Белый цилиндр на финише бронзовой трубки — это катушка, отправляющая кубитам возбуждающие импульсы. В катушки скрывается сам чип. Перед опытом все это будет скрыто под массивным многослойным экраном.

За последние сто лет нам стало намного тяжелее верить физикам. Классическая механика приучила человечество к тому, что каждые события окружающего нас мира возможно обрисовать довольно несложными формулами и угадать с безотносительной точностью. Квантовая механика спутала все карты, ученые все чаще будут считаться, что ничего не знают, а научная картина мира напоминает запутанную сказку без картин, написанную на непонятном языке высшей математики.

И все же, как бы поразительно это ни звучало, квантовый мир так настоящ, что его возможно практически потрогать руками. Нам в этом помогли эксперты Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» Евгений Кирилл и Глушков Шульга, каковые трудятся над элементной базой квантового компьютера. Лаборатория была основана известным русским физиком Алексеем Устиновым на средства мегагранта Правительства РФ, при помощи Российского квантового центра.

Проводимые в ней изучения разрешат нам применять явления недоступного и неосязаемого квантового мира на практике для ответа в полной мере макроскопических задач.

Нелегкая теория

Дабы разобраться, чем как раз занимаются юные ученые в их лаборатории, нужно вскользь коснуться теории. Слово «вскользь» тут как запрещено кстати. Ричард Фейнман когда-то сообщил: «Если вы думаете, что осознаёте квантовую механику, значит, вы ее не осознаёте», и с того времени мало что изменилось.

Квантовым явлениям нереально подыскать образные аналогии из привычного нам макромира, исходя из этого их тяжело себе представить и понять.

Квантовые особенности свойственны для микроскопических объектов. Хороший пример — элементарные частицы (электрон, фотон). Наиболее значимая для нас черта квантовых объектов — это свойство пребывать в суперпозиции.

В случае если в привычном нам макромире вещь либо имеется, либо ее нет, то квантовый объект может в один момент существовать во всех вероятных состояниях и пребывать во всех вероятных местах.

Одна из самых наглядных интерпретаций суперпозиции — электронные тучи из школьного курса химии. Эрвин Шредингер, один из основоположников квантовой механики, сказал об электроне, «размазанном» по пространству. Однако возможно сказать о возможности нахождения электрона в той либо другой точке пространства.

Бит хорошего компьютера может пребывать только в двух состояниях: 0 и 1. Состояния квантового бита (кубита) — это все точки между 0 и 1, причем в суперпозиции (другими словами в один момент во всех этих состояниях). На этом основан принцип квантового параллелизма — один из двух столпов квантовых вычислений. В случае если мы желаем, дабы хороший компьютер выполнил пара операций за один такт, нам приходится применять пара ядер (просматривай — пара компьютеров).

Квантовый компьютер может обработать множество значений за один такт, поскольку параллельные вычисления заложены в самой природе квантового мира.

Но при вычислениях мы общаемся с кубитом на простом бинарном языке, задавая ему начальное состояние в виде одного из двух энергетических уровней. Преимущества начинают проявляться при сотрудничестве двух и более кубитов. В игру вступает второй «столп», квантовая запутанность — явление, при котором квантовые состояния двух либо более объектов оказываются взаимосвязаны.

Задав начальные состояния для нескольких кубитов и вынудив их взаимодействовать, мы приобретаем смешанное состояние кубитов, и отечественное преимущество перед хорошим компьютером начинает расти экспоненциально. К примеру, в случае если регистр из двух хороших битов за один такт побывает только в одном состоянии, то регистр из двух кубитов — в четырех. Из трех — в восьми, из четырех — в 16.

64-битный регистр даст 264 состояния за один такт.

Работа квантового метода выглядит приблизительно так: мы задаем бинарные начальные состояния для группы кубитов, заставляем их взаимодействовать между собой в определенных комбинациях, производим над ними логические операции (в полной мере хорошие), а по окончании действия метода считываем с них бинарные значения. Что происходит при сотрудничестве кубитов между собой — вопрос, чуть ли постижимый для отечественного макроскопического мозга. Но этот этап дает квантовому компьютеру экспоненциальное преимущество в скорости.

Принципиально важно подчернуть, что, в соответствии с постулатам квантовой механики, мы не можем измерить состояние квантового объекта, не уничтожив это состояние. В момент измерения все сотрудничества теряют суть (говорят о коллапсе волновой функции), а итог носит вероятностный темперамент. Исходя из этого квантовые вычисления по природе собственной вероятностны.

Однако точность возможно повысить до приемлемых значений, совершенствуя методы и увеличивая количество измерений.

Как пощупать квант

Нереально не задаться вопросом, как же выстроить компьютер из квантовых объектов? Существует пара способов наладить общение с квантовым миром, и один из них основан на эффекте сверхпроводимости.

Фактически кубит является кольцом из алюминия, что при температурах ниже 1,18 К начинает сверхпроводить. Само колечко размером 5−10 микрон в полной мере макроскопично: его возможно разглядеть в замечательный оптический микроскоп. Но при сверхпроводимости в нем образуются так именуемые куперовские пары (два электрона, связанные фононным сотрудничеством). Как раз они и являются квантовыми объектами.

Наиболее значимое свойство куперовских пар содержится в способности функционировать совокупно, образовывая бозе-конденсат — особенное агрегатное состояние вещества, в котором квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне.

Присмотревшись к изображению, взятому посредством микроскопа, возможно подметить, что в трех местах кольцо разрывается. Это джозефсоновские переходы. За открытие результата протекания сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника, Брайан Дэвид Джозефсон взял нобелевскую премию, и совсем заслуженно.

Именно на изюминках джозефсоновских переходов строится управление кубитом и считывание его состояния.

При протекании тока контакт начинает излучать электромагнитные волны. Вероятен и обратный процесс — прием электромагнитных волн и соответствующее изменение энергетического уровня кубита. Кроме того, достаточно долгий переход придает процессу некую дискретность: чтобы поменять состояние кубита, нужно отправить строго определенное количество квантов магнитного поля.

Так, кубит реагирует строго на управляющие импульсы, а не на любое мало-мальское изменение электромагнитного поля.

Однако кубит — это сверхчувствительный объект, что нужно защищать кроме того от самых не сильный помех. Сам кубит находится на подложке в окружении множества сверхпроводящих колечек. Это ловушки для вихрей Абрикосова — блуждающих квантов магнитного поля, появляющихся в сверхпроводниках.

Подложка, содержащая ловушки и кубит, прекрасно видна невооруженным глазом. На чипе находится семь таких конструкций. Прямые линии, идущие к каждой из них, — это резонаторы.

Они кроме этого сделаны из сверхпроводника и трудятся по принципу камертона — каждому резонатору характерна собственная частота.

Резонатор подходит прикасаясь к кубиту, но не касается его. Каждому состоянию кубита соответствует определенная частота магнитного поля, излучаемого джозефсоновскими переходами. Когда частота кубита приближается прикасаясь к частоте резонатора, между ними появляется сообщение.

Резонатор захватывает часть энергии, и его частота легко изменяется.

Этого достаточно, дабы зафиксировать искомое состояние кубита на спектроскопии.

Семь кубитов, расположенных на чипе, пока что никак не связаны между собой и не являются квантовым компьютером. Но они разрешают проводить семь опытов в один момент. Любой резонатор настроен на собственную частоту и информирует спектрографу данные о собственном кубите.

Космический мороз

Сердце исследовательской установки, на которой проводятся опыты с кубитами, — криостат, талантливый создавать чудовищно низкие температуры в десятки милликельвинов. Столь низкие температуры нужны не столько для сверхпроводимости (кое-какие материалы демонстрируют нулевое электрическое сопротивление при температуре жидкого азота 77 К), какое количество для оберегания кубита от температурных шумов. Так как тепло — это не что иное, как энергия материалов, находящихся рядом.

Данной энергии достаточно, дабы оказать влияние на состояние квантового объекта.

Для сверхнизких температур употребляется криостат последнего поколения на импульсных трубках. Искомое состояние достигается в пара этапов. Сперва температура в прибора опускается до 4 К — температуры сжижения гелия. В резервуарах криостата находится смесь двух изотопов гелия — гелия-4 и гелия-3.

Смесь начинает циркулировать в змеевике. В следствии процеживания через узкий канал и последующего расширения ее температура падает ниже 2 К.

Смесь попадает в камеру растворения. Гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние, а гелий-3, оставаясь жидким, образует пленку на его поверхности. С одной стороны, гелий-3 начинает откачиваться с поверхности, а с другой — растворяться в гелии-4.

Данный процесс эквивалентен интенсивному тепловому расширению, благодаря чему температура падает до сотых долей кельвина. Как раз с камерой растворения соединяется кубит.

Цель работы Кирилла Шульги и Евгения Глушкова — со-здать идеальную технологическую среду для квантовых изучений. Явление квантовой сверхпроводимости разрешило располагать кубиты на простых чипах и руководить ими электрическим методом, тогда как другие способы физической реализации квантовых компьютеров требуют управления посредством лазеров а также отдельных фотонов. Квантовые изучения ни при каких обстоятельствах не были так дешёвы, как на данный момент.

Ученые борются за время судьбы кубита, правильнее его состояния. В случае если первые кубиты жили считаные наносекунды, то сейчас их состояние может оставаться стабильным в течение десятков микросекунд. Живучесть кубитов имеет критическое значение для квантовых вычислений — так как и на придание им начальных состояний, и для работы методов, и для считывания показаний нужно время.

Громадная стабильность разрешит объединять больше кубитов и использовать более сложные методы. А зависит время судьбы, в первую очередь, от степени защищенности кубита от внешних шумов.

Ближайшие опыты Евгения и Кирилла связаны с разработкой новых чипов, на которых кубиты смогут взаимодействовать между собой. Тяжело представить, но как раз физическое размещение кубитов на чипе может выяснить гибкость и эффективность их сотрудничества. Так что в захватывающей гонке за квантовым компьютером сейчас возможно делать ставки и на русского команду.

Особый инструмент

Бытует вывод, что квантовые счётные автомобили смогут стать следующим поколением компьютеров с несравнимо большей производительностью и занять место в отечественных офисах и домах. Это не совсем так. Область применения квантовых компьютеров ограничена рядом своеобразных задач. Их стихия — задачи, которые связаны с перебором вариантов, и моделирование многовариантных совокупностей.

На сегодня единственный квантовый метод, воплощенный в настоящем опыте, — это метод факторизации (разложения на простые множители) Шора.

Кстати, для хорошего компьютера эта задача невыполнима за разумное время (сопоставимое с людской судьбой), и на этом строится большинство современной криптографической защиты (электронные автографы, сертификаты подлинности сайтов, расчеты по пластиковым картам). В случае если квантовый компьютер будет выстроен, все эти разработки отправятся на пенсию.

А был ли компьютер?

С 2011 года американская компания D-Wave реализовывает квантовые компьютеры со 128-кубитным чипсетом. Но в научном сообществе машину принимают скептически: компания не имеет возможности доказать либо не затрудняет себя доказательством, что аппарат в конечном итоге есть квантовым компьютером. В частности, нет информации о том, что все 128 кубитов вовлечены в эффект квантовой запутанности.

По некоторым сведениям, компьютер является объединением 8-кубитных чипов.

Помимо этого, D-Wave — это, по сути, адиабатический квантовый компьютер, в котором не происходит перехода кубитов с одного энергетического уровня на другой. Вместо этого употребляются маленькие колебания нижнего состояния, в котором кубит более стабилен и в меньшей степени подвержен шумам. Адиабатический компьютер не разрешает реализовать главные квантовые методы, а применяет только особенные узкоспециализированные механизмы вычислений.

Статья «Гулливер микромира» размещена в издании «Популярная механика» (№137, март 2014).

Вести net новость о создании квантового компьютера оказалась блефом


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: