Когда лет через десять учёные представят миру эффективное средство от рака или новый материал для аккумуляторов, который позволит заряжать смартфоны не каждый день, а раз в пару недель, эти вещества не откроют случайно в лаборатории и не найдут в недрах земли. Их спроектируют (ну, скажем, за пару дней) на квантовом компьютере, который переберёт миллиарды вариантов молекул, сравнит их друг с другом и предложит самую перспективную.
В России квантовые компьютеры создают в нескольких научных центрах. В одном из них, Физическом институте РАН (ФИАН) представили самый мощный из таких вычислителей. Эта установка выводит отечественную фундаментальную науку в мировую квантовую гонку, где у нашей страны неплохие позиции.
От битов к кубитам
В лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» он занимает всю центральную часть отведённой ему комнаты. Сходу и не подумаешь, что это вычислительная машина будущего. Громоздкий стол со стеллажами. Множество приборов, мониторов, датчиков, узлов и модулей. Паутина проводов… Выглядит не очень футуристично, но для учёных главное — практичность.«Вот в этой железной коробке находится вакуумная камера с ионной ловушкой, это сердце квантового компьютера, — показывает на блестящий серебристый куб старший научный сотрудник ФИАН Илья Заливако. — Там в условиях глубокого вакуума подвешены ионы иттербия 171 — это квантовый регистр. А чтобы охлаждать ионы, мы используем систему из лазеров, зеркал и оптических модуляторов, — Илья приподнимает крышку широкого чёрного ящика, — и благодаря этому проводим квантовые вычисления».
Цепочка ионов на мониторе выглядит словно жемчужное ожерелье в тёмной пустоте. Всего этих ионов 35, и при воздействии на один из них начнёт колебаться вся цепочка, а система будет работать как компьютер на 70 кубитах.Но что такое этот кубит, о котором слышала уже, наверное, каждая домохозяйка? Так называют наименьшую единицу информации в квантовых вычислениях. Если классический процессор оперирует битами — нулями и единицами (трудно поверить, но фотографии в вашем смартфоне или музыка в MP3-плеере — это последовательность нулей и единиц), то базовый элемент квантового компьютера выглядит иначе. Он может быть и нулём, и единицей одновременно с определённой вероятностью.
Представить себе такое архисложно. Кубит подобен монетке, которая подброшена и вращается в воздухе: она ещё не «орёл» и не «решка», но она и то и другое — оба состояния сразу. Аналогия не совсем точная, но наиболее понятная.
Именно это свойство кубита даёт квантовому компьютеру грандиозную вычислительную мощность. Причём с увеличением единиц информации она растёт по экспоненте. Если создать устройство на 300 кубитах, они смогут занимать больше состояний, чем насчитывается атомов в известной нам Вселенной!
Гонка сродни космической или ядерной
Кстати, квантовый вычислитель объёмом 300 кубитов — вполне реальная цель, прописанная в российской дорожной карте «Квантовые вычисления». Это государственный проект, и в его реализации участвует много научных организаций и институтов (ФИАН — лишь один из них). А достижение мощности в 300 кубитов запланировано к 2030 году.
Задача не выглядит невыполнимой, если учесть, что в 2020 году наши учёные оперировали всего лишь двумя кубитами. И заметно отставали от иностранных коллег, которые давно уже вели между собой «квантовую гонку» сродни гонке космической или ядерной, которыми была отмечена вторая половина ХХ века.
«Россия поздно включилась в этот процесс, но сейчас у нас очень хорошие компетенции. Можно сказать, что мы сильная в квантовом смысле страна, — говорит директор Физического института им. П. Н. Лебедева РАН академик Николай Колачевский. — Да, пока мы не являемся лидерами в этой области, но находимся в жёсткой технологической гонке с американцами, китайцами, европейцами. Наиболее качественные квантовые операции сейчас производят американские машины, следом идёт Китай, где действует государственная программа и в научные исследования вкладываются очень большие средства, причём не только государственные».
О том, что Россия в этой гонке не аутсайдер и уже наступает на пятки фаворитам, говорит тот факт, что максимальное количество кубитов, которое сейчас достигнуто в ионных компьютерах (квантовые вычисления производят не только на ионах, но и на сверхпроводниках, атомах, фотонах и пр.), составляет 98. Такая вычислительная машина работает в США. ФИАНовский компьютер, напомним, действует на 70 кубитах. То есть это в целом вполне сопоставимый результат.
Комментарии