«Квантовый компьютер будет считать в миллион раз быстрее»

Российский учёный Алексей Устинов подошёл к решению одной из актуальных задач квантовой физики

 

Над созданием квантового компьютера работают сотни учёных во всём мире. Россия оказалась в числе стран, участвующих в этих исследованиях, благодаря усилиям профессора Алексея Устинова, руководителя группы Российского квантового центра и директора Физического института Карлсруэ (Германия). Ему и его коллегам удалось произвести первые в России измерения сверхпроводящего кубита – основного элемента хранения и обработки информации будущего квантового компьютера.

– Алексей, что предшествовало вашему прорыву?

– В последние десять лет активно развиваются методы фотоники и технологии проводников и сверхпроводников. При этом сверхпроводники выступают уже не как особого рода материалы, а как устройства, имеющие квантовые свойства. Создание квантового центра в России дало мне и моим коллегам возможность проводить эксперименты со сверхпроводящими квантовыми устройствами и отдельными фотонами, приготавливая их в определённых состояниях.

– А что представляет собой кубит?

– Это квантовый объект, представляющий собой суперпозицию двух состояний. Есть цифровые схемы, которые работают, переключаясь из состояния «ноль» в состояние «один» и обратно. Обычный компьютер кодирует информацию с помощью комбинации нулей и единиц. Если мы говорим о кубите, то он может принимать состояния «ноль» и «один» одновременно, а если сказать иначе – они накладываются друг на друга. Квантовое состояние меняется во времени определённым образом. Таким образом, кубит – это сосуществование двух состояний, которые развиваются во времени предсказуемым образом.

Сложность в том, что контролировать эти квантовые объекты очень трудно. Лучший вариант – подготовить специальную систему, в которой можно создавать такие состояния и управлять ими. Мы делаем маленькое колечко из сверхпроводника (например, алюминия), в котором возникает незатухающий кольцевой ток, идущий либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Оказалось, что эти состояния могут существовать одновременно в течение определённого времени. Такая система развивается по квантовым законам, пока… не «забудет», что с ней было в начальный момент. Квантовая память объекта очень короткая – она быстро разрушается из-за его взаимодействия с окружением. Сейчас сверхпроводниковые кубиты могут сохранять память несколько тысячных долей секунды. Но десять лет назад кубит мог существовать лишь несколько наносекунд. В результате наших исследований удалось увеличить время квантовой памяти кубита в миллион раз! Теперь жизнь кубита увеличилась до тысячных долей секунды, а это уже очень много.

– Но для создания суперкомпьютера, как я понимаю, и этого результата недостаточно…

– Известный физик Д.П. Ди Винченцо сформулировал набор пунктов, которые необходимо выполнить, чтобы построить квантовый компьютер. Во-первых, нужно иметь хорошие кубиты, во-вторых – средство управления ими и считывания, в-третьих – технологию, которая позволит построить сотни кубитов. Для создания квантового компьютера нужно много таких колечек-кубитов. Они будут взаимодействовать, меняя состояние друг друга, и нужно научиться этим взаимодействием управлять. Воздействие кубитов друг на друга приводит к возникновению так называемых перепутанных квантовых состояний. Квантовый компьютер существует за счёт того, что эти состояния дают возможность очень сильно увеличить его вычислительную мощность, делая доступными вычисления по принципу, невозможному для обычного компьютера. Используя высокочастотную микроволновую технику, аналогичную той, что работает в наших мобильных телефонах, для управления кольцевыми токами, можно за долю секунды сделать сотни тысяч квантовых манипуляций.

– Итак, главное преимущество квантового компьютера – скорость, недостижимая для обычного компа?

– Есть задачи, которые он будет считать в миллион раз быстрее обычного, например задачи перебора конфигураций разных состояний. Есть известная задача – путешествующий торговец. Ему нужно посетить десять тысяч клиентов, и требуется вычислить оптимальный маршрут. Квантовый компьютер сам – очень быстро, без примитивного перебора вариантов – находит оптимальную конфигурацию маршрута. Он способен решать задачи, связанные с оптимизацией разных процессов и взаимодействием множества объектов. Например, ему доступна задача поиска простых чисел – компьютер легко сможет разложить очень большие числа на простые множители. Он расшифрует сложнейший невзламываемый код за несколько часов, в то время как обычному компьютеру потребовалось бы для этого примерно столько времени, сколько существует наша Вселенная. Все области использования квантового компьютера сейчас предсказать сложно, но думаю, их будет много – от создания новых материалов до понимания сложнейших биологических процессов.

– Некоторые говорят, будто на самом деле квантовый компьютер уже создан…

– Да, представители канадской компании D-Wave утверждают, что им удалось его построить. Но я и многие мои коллеги относимся к этому утверждению со скепсисом. В лучшем случае канадские инженеры имеют что-то похожее, но сделанное на скорую руку. Научные группы в университетах идут длинным и сложным путём, но результат обещает быть более серьёзным. Европа пока отстаёт в этом соревновании. В США квантовым компьютером занимаются сотни учёных и студентов. Основные события сейчас происходят в Калифорнийском и Йельском университетах.

К слову сказать, реализация квантового компьютера потребует решения ряда инженерных задач. Надо будет придумать для него интерфейс, связывающий его с обычными компьютерами. И это приведёт к развитию квантовой инженерии.

– В этой связи что вы скажете о перспективах развития науки, в частности физики, в России?

– Я настроен позитивно. Программа мегагрантов российского правительства привела сюда серьёзных учёных мирового уровня. Она дала импульс к развитию науки. Сейчас важно сохранить те институты и научные школы, которые были в советское время, хотя у нас поздновато спохватились принимать меры. Важно, что молодёжь идёт в науку – молодые учёные заинтересованы в научных исследованиях и имеют возможность нормально работать и жить. В моей лаборатории есть замечательные молодые сотрудники, у которых уже есть серьёзные публикации в научных журналах. Однако потенциал начинающих учёных нужно развивать.

– Так, как это делают в Германии, где вы возглавляете институт?

– Да, Германию можно приводить в пример, поскольку там науку хорошо поддерживают. Благодаря этому после военной разрухи наука быстро восстановилась до конкурентоспособного уровня. В стране много хороших государственных и частных фондов, которые финансируют научные исследования, – Немецкий фонд научных исследований, Фонд Гумбольдта, Общество Гельмгольца и другие. Так что программа мегагрантов правительства России – шаг в правильном направлении.

 

 

Беседовала Наталья Григорьева. Фото AFP