Квантовые связи

Работа в лаборатории: один из авторов, Кристофер Монро, манипулирует кубитами из атомных ионов с помощью лазеров и удерживает их в ловушке из электромагнитных полей, образованных электродами

В течение двух последних десятилетий ученые предпринимали попытки использовать необычные свойства квантового микромира, чтобы совершить скачок в области обработки информации и коммуникаций. Используя некоторые особенности физики, проявляющиеся в самых малых масштабах природы (то, что электрон одновременно и частица, и волна, что объект может находиться в нескольких местах одновременно и то, что две частицы могут сохранять призрачную мгновенную связь, даже если они удалены друг от друга на значительные расстояния), квантовые машины могли бы сделать немыслимые ранее вычисления, средства коммуникации и методы измерения рутиной. Приведем лишь один пример: квантовый компьютер, вероятно, сможет расколоть не поддающиеся расшифровке коды.

В то же время квантовые машины можно использовать для хранения и передачи информации таким образом, что ее секретность будет гарантирована законами физики. Их можно будет применять также для моделирования процессов в сложных химических и физических системах, которые невозможно отследить никаким другим способом. Квантовые системы, по-видимому, многократно повысят точность самых точных в мире хронометров —атомных часов — и будут служить миниатюрными высокоточными датчиками для измерения свойств химических и биологических систем на атомном или молекулярном уровне с приложениями от биологии и материаловедения до медицины.

Именно из-за огромных потенциальных возможностей такие технологические монстры, как Google и Intel, ряд компаний-стартапов, Министерство обороны и другие правительственные агентства США делают крупную ставку на разработки в этой области. Не менее воодушевлено и американское академическое сообщество: только в 2015 г. три ведущих журнала опубликовали более 3 тыс. научных статей, в которых упоминаются квантовые вычисления или квантовая информация.

Проблема заключается в том, что ученые пока еще не могут построить большую квантовую машину, которая реализовала бы эти надежды. Главная трудность состоит в том, что такой компьютер по определению должен работать в царстве микромира, и в то же время, когда мы пытаемся сделать квантовый компьютер достаточно большим, чтобы с ним можно было работать, проявляется его естественная тенденция — он начинает подчиняться классическим законам макромира.



Квантовый прибор. Электрическая цепь для измерения сверхпроводящих кубитов помещается в покрытую золотом камеру. Эти измерения могут квантово перепутать кубиты в отдельных кластерах, или модулях, позволяя модулям объединяться друг с другом, чтобы образовать единый квантовый компьютер.

Чтобы построить систему, которая подчиняется квантовым законам в большом масштабе и обладает всей мощью квантовой обработки информации, вероятно, потребуется модульный подход, при котором более мелкие заведомо квантовые единицы соединены друг с другом таким образом, чтобы не разрушалась их квантовая природа. В недавней работе не только теоретически, но и на практике был успешно проверен этот так называемый модульный подход в малых масштабах, и это подготавливает почву для реализации уникальных возможностей квантовой механики.

Вероятно, нули и, возможно, единицы

Первое предположение, что квантовый мир можно использовать для создания нового типа мощных компьютеров, в начале 1980-х гг. высказали физик Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института и математик Дэвид Дойч из Оксфордского университета (Первым идею квантовых вычислений в 1980 г. в своей книге «Вычислимое и невычислимое» выдвинул советский математик Юрий Иванович Манин. — Примеч. пер.). Эта гипотеза оставалась спекулятивной на протяжении многих лет, пока в 1994 г. Питер Шор (Peter Shor), в то время работавший в компании AT&T Bell Laboratories, не показал, как квантовый компьютер можно использовать для быстрой факторизации (разложения на простые множители) больших чисел, что разожгло большой интерес к этой области.

Первые примитивные квантовые компьютеры появились в конце 1990-х — начале 2000-х гг., когда ученые построили простые, состоящие из нескольких «битов» системы, построенные на атомах, молекулах или фотонах. Именно особая природа квантовых частиц позволяет квантовым компьютерам добиться огромного превосходства над их классическими собратьями. В отличие от классических вычислений, в которых основная единица информации (бит) принимает определенное значение — «1» или «0», квантовая единица информации (кубит) может существовать одновременно в двух состояниях, то есть может представлять «0» и «1» одновременно.

Кубит, вероятно, может быть «0», но, возможно, и «1», или же с одинаковой вероятностью быть «0» или «1», или любой другой взвешенной комбинацией двух двоичных состояний. Кубит обладает такой властью потому, что квантовая частица может находиться в двух местоположениях или в двух физических состояниях одновременно — явление, получившее название «суперпозиция». Помимо того что кубиты находятся в двух состояниях одновременно, они могут быть связаны друг с другом посредством квантового свойства, называемого «квантовая перепутанность». (У английского термина entanglement нет устоявшегося единого русского эквивалента, и в литературе вы можете встретить самые различные наименования этого явления: «квантовая запутанность», «квантовая нелокальность», «квантовая перепутанность», «квантовая сцепленность», «квантовая зацепленность» и т.д. — Примеч. пер.) Квантовая перепутанность — это способность частиц, удаленных друг от друга в пространстве, сохранять определенную связь друг с другом таким образом, что действие, совершенное над одной из них, мгновенно отражается на другой. Это свойство дает квантовым компьютерам возможность массово-параллельной обработки информации. Когда совокупность кубитов квантово перепутана, простая операция над одним из них может повлиять на состояния всех других кубитов. Даже с помощью всего лишь нескольких кубитов все эти взаимозависимые состояния «0», «1» и их суперпозиции образуют необычайно сложный диапазон возможных исходов. В то время как классический компьютер за один такт может обработать лишь одну возможность, квантовый может проверить все возможные решения задачи одновременно. Всего лишь несколько сотен кубитов могут рассчитать таблицу исходов, количество элементов которой превосходит число всех частиц во Вселенной.

До сих пор ученым в ряде лабораторий удалось создать лишь небольшие квантовые вычислительные системы с числом кубитов, не превышающим 10. Но по мере того как мы добавляем кубиты, становится все труднее оградить систему от внешнего мира — а любые такие воздействия губительны для тех самых свойств, которые делают квантовые компьютеры столь необычными. Квантовая суперпозиция множества состояний может существовать только в изолированной системе. Любая попытка ее преждевременного наблюдения или измерения приведет к их коллапсу в одно из возможных состояний — к выбору одной из возможностей. В этой ситуации квантовая механика перестает работать и кубиты снова превращаются в обычные биты классического компьютера. Другими словами, особые возможности квантовых объектов, как правило, можно наблюдать только в микроскопических системах, и они разрушаются, когда эти объекты становятся полностью связанными большим целым — аналогично тому, как музыкальная группа, играющая в стиле «инди», возможно, больше всего нравится своим фанатам, если о ней слышали лишь немногие. Большие системы обычно слишком сложны и недостаточно изолированы, чтобы вести себя по квантово-механическим законам, — в конце концов, мы ведь не ожидаем, что найдем бейсбольный мяч или даже биологическую клетку в двух местах одновременно.

Три способа построить квантовый компьютер

Компьютеры, которые строятся на базе странных законов квантовой механики, теоретически смогут выполнять вычисления, недоступные для классических компьютеров. Однако чем больше становится квантовый компьютер, тем труднее сохранить его квантовые свойства. Ученые полагают, что решение проблемы — построить множество небольших квантовых компьютеров и соединить их вместе в одно большее целое: стратегия, получившая название «модульные квантовые вычисления». В боксах справа показаны три потенциальные модульные схемы, использующие три различных типа квантовых битов или кубитов.

Квантовое свойство 1: суперпозиция



Атомы и субатомные частицы могут существовать во множестве состояний одновременно — состояние, называемое суперпозицией. Если классический объект, такой как бильярдный шар, может вращаться одновременно лишь в одном направлении, квантовые частицы могут находиться в двух «спиновых состояниях» — как со спином, направленным вверх, так и со спином, направленным вниз, — одновременно. Используя это свойство, квантовые компьютеры, вероятно, смогут анализировать множество возможных решений задачи в одно и то же время.

Квантовое свойство 2: квантовое перепутывание



Альберт Эйнштейн назвал его призрачным дальнодействием: квантовое перепутывание позволяет двум частицам выстроить такую связь, что действие, совершенное над одной из них, мгновенно влияет на другую, даже если они удалены друг от друга в пространстве. На рисунке внизу квантово перепутанные частицы сначала находятся в суперпозиции состояний со спином вверх и вниз. Когда внешнее измерение заставляет частицы «выбрать» единственное состояние, обе частицы всегда придут в скоординированные друг с другом состояния. В зависимости от типа квантового перепутывания если первая частица находится в состоянии со спином вверх, то вторая всегда будет находиться в состоянии со спином вниз. Когда квантово перепутываются множество кубитов, операция, проводимая над одним, мгновенно скажется на других, открывая возможность беспрецедентно масштабной параллельной обработки информации.

Способ №1: Атомные ионные кубиты



Самый простой способ построить модульный квантовый компьютер — использовать в качестве кубитов отдельные атомы. Каждый атом может представлять значение «0» или «1» двоичного кода (или их суперпозицию) посредством различных электронных орбит (вверху). Внизу схематическое изображение трех модулей — квантовых миникомпьютеров, состоящих из пяти атомных ионов каждый, — соединенных таким образом, чтобы сохранить квантовые свойства каждого из модулей. Внутри каждого модуля все пять ионов квантово перепутаны друг с другом. Два иона на концах (белого цвета) — особого рода и могут испускать фотоны для связи с другими модулями.

Способ №2: Сверхпроводящие кубиты



В другой стратегии построения квантового компьютера в качестве кубитов используются «искусственные атомы», представляющие собой сверхпроводящие цепи. Эти кубиты — электрические цепи, которые могут принимать значение «0» или «1» в зависимости от наличия или отсутствия СВЧ-фотона или переменного электрического тока, текущего по цепи. (Когда кубит находится в состоянии суперпозиции, фотон может быть там и одновременно может не быть.) Внутри каждого модуля кубиты могут быть квантово перепутаны непосредственно друг с другом посредством захваченных фотонов. Эти фотоны могут также быть посланы по оптическим волокнам, чтобы связать каждый модуль с другими.

Способ №3: Твердотельные квантовые кубиты



Третий вариант — сделать кубиты из дефектов в твердом теле, таком как алмазная кристаллическая решетка, состоящая из атомов углерода. Если один из атомов углерода в решетке заменить на атом азота, а место по соседству оставить пустым, получится дефект, называемый центром «азот — вакансия» (или NV-центром). NV-центр и окружающие его атомы углерода все становятся кубитами, и их спиновые состояния представляют собой «0» или «1». Каждый кластер дефектов в кристаллической решетке — это отдельный модуль, а сами модули можно соединить друг с другом посредством оптических фотонов.

Модульные квантовые системы

Перед учеными стоит трудная задача — масштабировать систему, не утратив при этом ее квантовой природы. Использование «грубой силы» для построения больших квантовых систем путем простого добавления новых кубитов и объединения их в единую сеть скорее всего потерпит неудачу. Это предсказание подкреплено судьбой машин, разработанных канадской фирмой D-Wave Systems, которая соединила вместе несколько сотен или даже тысяч отдельных кубитов. Хотя представители компании утверждают, что их устройства бьют рекорды скорости выполнения классических алгоритмов, мы не обнаружили ни одной публикации с данными, которые свидетельствовали бы о квантовом перепутывании в большом масштабе или о преимуществах в скорости обработки информации такими системами.

Однако модульная методика подсказывает нам другой путь к цели. Это техническое решение сродни стратегии, которую коммерческие авиакомпании используют для того, чтобы справиться с проблемами обслуживания клиентов. В следующий раз, когда вы полетите на самолете, рассмотрите внимательнее заднюю обложку рекламного журнала авиакомпании, предлагаемого пассажирам на борту самолета. Карта маршрутов компании дает грубое представление о том, как мог бы выглядеть полномасштабный квантовый компьютер. Авиакомпании не в состоянии соединить каждый город непосредственно с каждым другим отдельной авиалинией, поскольку логистика и накладные расходы в этом случае были бы непомерно большими. Вместо этого они используют центральные пересадочные узлы для организации сети непрямых сообщений. Жертвуя достоинствами непосредственной связи, взамен они получают возможность расти и обслуживать большую сеть аэропортов.

Аналогично в модульном квантовом компьютере не предусмотрено соединение каждого кубита с каждым. Вместо этого несколько кубитов в нем будут использованы как ядра сети, через которые будут подсоединяться отдельные модули, сродни тому как Атланта служит пересадочным пунктом, соединяющим юго-восток США с остальными регионами. Модульные сети помогут сохранить число взаимодействий между кубитами в количестве, позволяющем успешно ими управлять, и в то же время такая архитектура позволит каждому модулю оставаться защищенным от внешних влияний. Они компенсируют необходимость пожертвовать преимуществом непосредственных связей между кубитами, давая взамен возможность взаимодействовать через посредника тысячам или даже миллионам кубитов. Но в отличие от традиционных модульных систем, таких как многоядерные процессоры компьютеров, в которых для связи как внутри процессоров, так и процессоров между собой используется одинаковый тип проводников, чтобы получить необходимое квантовое перепутывание и в то же время сохранить изоляцию между модулями, модульная квантовая система, возможно, потребует два или даже более различных типов связи. В минувшем десятилетии возникли три основные модульные квантовые стратегии, использующие различные типы кубитов.

Трое из нас независимо друг от друга разрабатывают эти платформы, и мы верим, что они приживутся в более крупных квантовых компьютерах, которые откроют возможность применить новые виды обработки информации.

Атомные кубиты

Наиболее естественный тип кубита — одиночный атом, чьи электронные или ядерные энергетические уровни (иногда называемые спиновыми состояниями) хранят квантовую информацию. Атомные кубиты по самой своей природе поддаются масштабированию, поскольку многочисленные атомы одного и того же вида фактически идентичны и не требуют никаких дополнительных настроек, чтобы походить друг на друга. Лазерные пучки могут охладить атомы до почти неподвижного состояния, замораживая их путем передачи импульса от атома рассеянному лазерному излучению. Мы научились все это проделывать, подвешивая атомы внутри пустого пространства вакуумной камеры, чтобы защитить их от любого внешнего воздействия.

Нейтральный или заряженный атом (ион) может служить кубитом. Чтобы удержать нейтральные атомные кубиты, мы используем сфокусированные лазерные пучки, вернее несколько взаимопересекающихся лазерных пучков, образующих так называемую оптическую решетку. Десятки научных групп во всем мире применяют этот метод. Хотя управлять нейтральными атомами и связывать их на уровне одного кубита — задача не из легких, существует несколько многообещающих путей, позволяющих это сделать. В качестве альтернативы многие группы используют положительно заряженные ионы — атомы с одним недостающим электроном.

Ионы отталкиваются друг от друга в результате действия электростатических сил, и их невозможно удержать в электростатическом поле, образованном электродами. Мы можем охладить с помощью лазерного излучения сотни удерживаемых ионов в форме стационарной кристаллоподобной структуры из отдельных атомов, которые ведут себя как идентичные друг другу маятники, соединенные пружинками. Дополнительные управляющие лазеры могут раскачивать ионы таким образом, что их спиновые состояния окажутся квантово перепутанными в результате колебаний ионов, — схема, впервые предложенная в 1995 г. физиками из австрийского Инсбрукского университета им. Леопольда и Франца Игнасио Сираком (Ignacio Cirac) и Петером Цоллером (Peter Zoller). За минувшую два десятилетия ученые совершили поразительный прорыв в управлении отдельными кубитами из удерживаемых ионов и их квантовом перепутывании таким методом. Недавно группы под руководством одного из нас (Кристофера Монро), Дэвида Уайнленда (David J. Wineland) из Национального института стандартов и техники и Райнера Блатта (Rainer Blatt) из Инсбрукского университета продемонстрировали успешные эксперименты по квантовому перепутыванию 20 кубитов на захваченных ионах.

Ученые исследовали два способа соединить модули, полученные на таких квантово перепутанных ионных кристаллах. Первый — физически переместить несколько ионных кубитов в пространстве от одного модуля к другому, заставив их пройти через сложный лабиринт электродов (метод, предложенный в 2000 г. Монро совместно с Дэвидом Кильпинским (David Kielpinski), в то время работавшим в Национальном институте стандартов и техники). Ионы можно заставить скользить через пространство вместе с волной электрического поля так, чтобы не нарушать состояния их кубитов. Когда ионы коснутся второго модуля, с помощью импульса лазера можно индуцировать формирование новых квантовых перепутываний. Два модуля, скажем, по 50 кубитов каждый становятся частью одного вычислительного регистра, а это означает, что теперь совместно работают 100 кубитов, хотя и слабо связанные. Теоретически предела количеству модулей, которые можно соединить таким способом, получившим название «метод ионного челнока», не существует.

Трудность такого метода заключается в сложности управления хитроумными ионными ловушками, которые состоят из сотен тысяч точно расположенных электродов, с помощью которых ионы перемещаются туда и обратно. Мы должны уметь манипулировать всеми необходимыми напряжениями на электродах, чтобы заставить ионы скользить по лабиринту из этих электродов. Значительные усилия по изготовлению электродов ионной ловушки из кремния или других полупроводниковых материалов способом, позволяющим масштабирование, прилагаются сегодня в Сандийских национальных лабораториях и в компании Honeywell.

Второй метод, обеспечивающий связь ионных кубитных модулей, позволяет оставить атомы на месте. В нем для того, чтобы заставить ионы испустить фотоны, которые квантово перепутаны с ионами, используются лазеры. Эти фотоны могут затем перенести квантовое перепутывание между модулями. Такой тип фотонного квантового интерфейса произрастает из идеи, впервые высказанной почти 20 лет назад учеными Инсбрукского университета, Калтеха и Гарвардского университета и продемонстрированной десять лет назад Монро. Техника фотонной связи имеет громадное преимущество, позволяя нам связать воедино кубитную память, элементы которой могут быть удалены на значительное расстояние, к тому же она может быть применена и к другому типу кубитов, такому как нейтральные атомы, а также сверхпроводящим и полупроводниковым кубитам, речь о которых пойдет ниже. Более того, мы можем масштабировать фотонные связи между модулями посредством волоконно-оптических сетей и коммутаторов, которые помогут нам управлять тем, какие из кубитов следует квантово перепутать. Основное препятствие на этом пути состоит в том, что фотонная связь кубитов, как правило, недостаточно эффективна, поскольку требует захвата и точного направления этих фотонов. Чтобы установить успешную связь, может потребоваться много попыток. Наилучшая скорость, достигнутая на сегодня, — десять связей квантового перепутывания в секунду. Однако развитие существующей технологии сулит увеличение этой скорости на несколько порядков величины.

Сверхпроводящие кубиты

Хотя атомы и могут быть использованы в качестве естественных кубитов, задача управления и масштабирования их в более крупные системы таит в себе ряд инженерных проблем. Альтернативная стратегия — создать «искусственный атом», используя электрические цепи из сверхпроводящих материалов. Эти устройства состоят из многих атомов, но могут вести себя как простые управляемые кубиты, в которых присутствие или отсутствие одного СВЧ-фотона или направление тока в цепи по часовой стрелке или против нее соответствует состояниям «0» или «1». Такие квантовые цепи обладают определенным преимуществом. Мы можем задавать их свойства на этапе конструирования и серийно изготавливать их с помощью технологических процессов, используемых в современной микроэлектронике для производства обычных интегральных схем. Но, что замечательно, когда они работают при температуре, близкой к абсолютному нулю, они могут находиться в состоянии суперпозиции достаточно долго, чтобы служить полноценным кубитом. За последние 15 лет время жизни таких систем удалось увеличить более чем в миллион раз.

В прошлом десятилетии в ходе работы над сверхпроводящими квантовыми цепями удалось добиться быстрого прогресса, продемонстрировав различные необходимые для квантового компьютера характеристики. Ученые во многих университетских лабораториях, а также такие участники высокотехнологического рынка, как Google и IBM, сегодня научились манипулировать несколькими сверхпроводящими кубитами и квантово перепутывать их. С помощью метода, получившего название «квантовая электродинамика электрических цепей», основоположником которого стал один из нас (Роберт Шелькопф) совместно со своими коллегами из Йельского университета Мишелем Деворе (Michel H. Devoret) и Стивом Гирвином (Steve Girvin), мы даже можем квантово перепутать кубиты на больших расстояниях, используя сверхпроводящие передающие линии.

Сверхпроводящие приборы естественным образом допускают модульную архитектуру. Мы можем соединить модули и измерительные устройства внутри большого криогенного прибора с помощью сверхпроводящих проводников и в то же время уменьшить перекрестное влияние и помехи между отдельными модулями, экранировав их друг от друга. Чтобы вызвать квантовое перепутывание между модулями, ученые в Йеле, в ОИЛА Университета Колорадо в Боулдере (Объединенный институт лабораторной астрофизики (ОИЛА) был основан в 1952 г. С тех пор область исследований, проводимых там, значительно расширилась и сегодня помимо астрофизики включает атомную и молекулярную физику, оптику, биофизику, квантовую информацию, точные измерения и многое другое, но акроним остался прежним. — Примеч. пер.), в Калифорнийском университете в Беркли и в других лабораториях разработали специальные сверхпроводящие приборы для квантовых измерений. Модульный подход в приложении к сверхпроводящим кубитам имеет несколько привлекательных особенностей. Вместо того чтобы строить и тестировать гигантскую электрическую цепь, нам требуется лишь в массовых количествах производить и калибровать более простые модули, а затем усложнять машину, добавляя модуль за модулем.

Мы можем заменить или обойти дефектные модули и перекоммутировать электрические цепи, соединяющие модули, чтобы выстроить другую архитектуру. В настоящее время ведется также работа по разработке квантовых преобразователей, трансформирующих СВЧ-сигнал в оптический, чтобы затем соединить удаленные модули с помощью оптического волокна и создать таким образом квантовые сети большой дальности или распределенный квантовый компьютер.

Твердотельные спиновые кубиты

Наконец, третий тип кубитов, в которых информация кодируется в виде спиновых состояний твердых тел. Существуют различные модели этого типа кубитов, но многообещающий метод, разрабатываемый одним из нас (Михаилом Лукиным), а также большим числом других групп, для получения кубитов использует дефекты в кристаллах. Одна из таких систем — состоящая из атомов углерода кристаллическая решетка алмаза, в которой один из атомов углерода замещен на атом азота, а расположенный рядом узел пуст, — дефект, называемый центром «азот — вакансия» (NV-центр). Электромагнитные импульсы могут управлять спином электронов этой атомоподобной примеси. В методе, впервые предложенном Лукиным с коллегами, NV-центр воздействует на ядерные спины своих ближайших соседей — атомов углерода, формируя группу соседних кубитов, образованных в результате магнитного взаимодействия между частицами. Однако число атомов углерода — ближайших соседей дефекта «азот — вакансия» можно сосчитать по пальцам, что ограничивает суммарное число кубитов на один модуль менее чем дюжиной.

Задача масштабирования требует соединения вместе множества модулей. Если кубиты расположены в различных кристаллических решетках, мы можем связать их, заставив каждый кубит испустить фотон, а затем измерить фотоны. В случае если несколько NV-центров расположены внутри одной алмазной решетки, мы также можем по пытаться установить между ними связь, воспользовавшись квантовыми колебаниями, называемыми фононами, которые могут переносить квантовую информация между примесями.

Примечательно, что, хотя манипулирование информацией, закодированной в кубитах этих NV-центров, необычайно сложно, часто мы можем проделывать все это в обычных условиях при комнатной температуре. Методы наблюдения одиночного NV-центра, предложенные в минувшем десятилетии Йоргом Врахтрупом (J rg Wrachtrup) из Штутгартского университета и Федором Железко, в настоящее время работающим в Университе-те Ульма (Федор Борисович Железко — выпускник Белорусского государственного университета, после защиты в 1998 г. кандидатской диссертации эмигрировал в Германию, в настоящее время — директор Института квантовой оптики Университета Ульма. — Примеч. пер.), позволили ученым работать с отдельными кубитами электронных спинов. Группа под руководством Давида Авшалома (David Awschalom) из Чикагского университета смогла манипулировать этими кубитами на наносекундной шкале, что сравнимо со скоростью современных классических процессоров.

Недавно в голландском Дельфтском техническом университете Рональд Хансон (Ronald Hanson) с коллегами квантово перепутали кубиты одиночных NV-примесей, удаленных друг от друга на расстояние более одного километра, воспользовавшись квантово перепутанными фотонами, аналогично фотонному методу, позволяющему связать ионы, о котором было рассказано ранее. Пока этот процесс не очень эффективен (в эксперименте в Дельфте связи квантовой перепутанности устанавливаются со скоростью всего лишь несколько раз в час), но недавно в Гарвардском университете и в Массачусетском технологическом институте придумали новые методы с использованием нанооптических устройств, позволяющие в значительной степени его ускорить. А поскольку мы уже имеем инструменты, позволяющие сформировать несколько кубитов вокруг одиночного дефекта алмазной решетки и сохранять их в течение более чем секунды в сверхчистых кристаллах, таких, какие выращивает компания Element Six, NV-центры демонстрируют огромный потенциал для масштабируемой модульной архитектуры квантового компьютера.

Квантовое будущее

В результате более чем 20 лет исследований и разработок в этой области ученые экспериментально проверили все описанные выше подходы к модульному квантовому компьютеру в небольших масштабах. Ожидающая нас задача — распространить эти методы на более крупные конгломерации кубитов и модулей и начать использовать их для интересных приложений. Мы полагаем, что сегодня эта цель уже не за горами.

Квантовое будущее одновременно и заманчиво, и таит множество проблем. По мере того как квантовые машины будут становиться все больше, управлять ими и контролировать то, что в целом система действительно ведет себя квантово-механически, станет все труднее. К счастью, модульная архитектура позволяет нам проверить и оценить работу отдельных модулей и различных связей между ними независимо друг от друга, не нарушая работы всей системы в целом. Ученые недавно проделали важные шаги в направлении к этой цели.

Но модульные квантовые компьютеры даже относительно скромного масштаба, по всей видимости, дадут нам возможность решать уникальные задачи. Они естественным образом станут хребтом «квантового Интернета», состоящего из небольших квантовых процессоров, объединенных с помощью квантово перепутанных оптических фотонов. Они смогут служить ретрансляторами, которые раздвинут географические рамки безопасных квантовых систем связи (в настоящее время ограниченные примерно 100 км, поскольку фотоны затухают в стандартных волоконно-оптических линиях) до континентальных расстояний.

Элементы модульных квантовых машин уже начинают включать в некоторые самые точные в мире хронометры, и, как ожидается, их роль будет расти в новом поколении оптических атомных часов, основанных на нейтральных атомах и ионах. Ученые предложили построить глобальную квантовую сеть таких часов, чтобы создать единую международную шкалу времени, или, грубо говоря, «всемирные часы», которые будут работать с беспрецедентными стабильностью и точностью.

Миниатюрная квантовая сеть могла бы служить также высокоточным датчиком электромагнитных полей и температуры в сложных химических и биологических системах на нанометровой шкале. Например, ученые воспользовались электронным и ядерным спинами, связанными с примесями в твердых телах, чтобы добиться магнитно-резонансной визуализации с разрешением в одиночный атом. Этот метод, вероятно, можно будет использовать для непосредственного наблюдения отдельных молекул, что даст необычайно мощный инструмент фундаментальной биологии и материаловедению, а также новые средства медицинской диагностики и поиска новых лекарств.

Пришло время перестать задавать вопрос, возможен ли квантовый компьютер, и начать фокусировать деятельность на разработке его крупномасштабной архитектуры и на том, что он способен делать. Истина заключается в том, что никто не знает, как квантовые компьютеры изменят наш мир. Но с наступлением эпохи сетей модульных квантовых компьютеров мы оказались на пороге перемен.

Авторы статьи:

Михаил Лукин — выпускник факультета физической и квантовой электроники Московского физико-технического института (1993), профессор физики Гарвардского университета и содиректор Объединенного центра по изучению ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарвардского университета. Он внес пионерский вклад в несколько областей квантовых вычислений, коммуникаций и метрологии.

Кристофер Монро — профессор физики Мэрилендского университета и научный сотрудник Объединенного института квантовой физики. Вот уже более 20 лет он работает на переднем фронте техники квантовой информации.

Роберт Шелькопф — профессор физики Йельского университета и директор Йельского института квантовой физики. Он и его сотрудники в Йеле занимают лидирующие позиции в разработке твердотельных квантовых битов (кубитов) для квантовых вычислений.

Источник: Журнал "В мире науки", за [07] июль 2016 года