Квантовое будущее: как работают суперкомпьютеры и зачем они нужны

Ученые из Национального исследовательского технологического института МИСиС (бывший Московский институт стали и сплавов) и Московского физико-технического института (МФТИ) предложили новый подход к созданию квантовых суперкомпьютеров. Российские ученые показали, что на одном чипе возможно фотон-магнонное взаимодействие. Эта разработка, как ожидается, поможет ученым создать гибридный квантовый компьютер. Чем квантовые вычислительные машины отличаются от обычных? По какому принципу они работают и для чего нужны?

Все и сразу – принцип суперпозиции

Эрвин Шредингер в 1935 году удачно проиллюстрировал один из основополагающих принципов квантовой механики – принцип суперпозиции. В его мысленном эксперименте кот, находящийся внутри коробки, с одинаковой вероятностью может быть живым или мертвым, так как никто не может знать, случился ли распад крупицы радиоактивного вещества, открывающей колбу с ядом. Выходит, что кот и жив, и мертв одновременно, что противоречит здравому смыслу.

Принцип суперпозиции используется для вычислений с помощью квантовых компьютеров. В обычном компьютере для вычислений используется двоичный код, состоящий из комбинации нулей и единиц. При этом каждый бит информации может принимать только одно значение – или один, или ноль.

В квантовом компьютере информация кодируется кубитами, которые учитывают все возможные сочетания значений закодированных чисел. Это позволяет одновременно просчитывать все возможные состояния и существенно ускоряет обработку некоторых алгоритмов. Например, квантовые компьютеры теоретически смогут легко справляться с расшифровкой информации – обычным машинам взлом современных систем шифрования практически неподвластен.

Квантовый интеллект

Полезными квантовые компьютеры, по предположениям ученых, будут и для развития искусственного интеллекта, так как они позволяют ускорить процесс машинного обучения и оперируют одновременно огромным массивом информации. Google и Volkswagen даже исследуют возможность применения квантовых компьютеров в разработках искусственного интеллекта и беспилотных автомобилей.

Однако полноценно работающий квантовый компьютер пока существует лишь в теории. Вся проблема заключается в том, что связать множество кубитов в единую действующую сеть чрезвычайно сложно. Чем больше «ячеек» в сети, тем больше их влияние друг на друга и тем ниже точность вычислений. Самые мощные квантовые процессоры состоят примерно из 50 кубитов. Большинство из них не универсальны и подходят для решения всего лишь одной задачи – но они справляются с ней гораздо эффективнее, чем существующие машины.

Мощный суперкомпьютер невозможен?

Некоторые ученые скептически относятся к идее создания огромных квантовых процессоров. Так, российский физик Михаил Дьяконов уверен, что пропасть между теорией квантовых вычислений и практической ее реализацией человечество никогда не преодолеет.

«Существует огромный разрыв между рудиментарными, но очень сложными экспериментами, проведенными с несколькими кубитами, и чрезвычайно развитой теорией квантовых вычислений, которая опирается на манипуляции от тысяч до миллионов кубитов для вычисления чего-либо полезного. Этот пробел вряд ли скоро будет закрыт», - уверен ученый.

Квантовое превосходство достигнуто

В то же время цифровые корпорации не прекращают работу над квантовыми компьютерами. В 2019 году Google с помощью квантового процессора Sycamore, состоящего из 54 кубитов, за 200 секунд выполнила задание, на которое обычным машинам понадобилось бы около 10 тысяч лет. Компания уверена: их разработка смогла достичь квантового превосходства над обычной техникой. Второй машиной, которой удалось достичь квантового превосходства, стал китайский процессор Jiuzhang, который за 200 секунд выполнил задачу, на которую самые мощные современные компьютеры потратили бы 1,5 миллиарда лет.

От электронов к оптическим «ловушкам»

Технологии производства квантовых компьютеров постоянно совершенствуются. Первые модели были твердотельными, логические кубиты в них кодировались зарядом или положением электрона, а управление осуществлялось с помощью лазера.

Следующим шагом стало создание квантовой машины на сверхпроводниках – здесь информация кодируется с помощью пар электронов, взаимодействующих через фотон. Управлялись такие машины с помощью электрических магнитных полей.

Для создания квантовых машин также использовались особые оптические «ловушки» для заряженных частиц, где для кодирования использовалось основное или возбужденное состояние частиц, а управление велось с помощью лазера.

Гибридные системы наиболее перспективны

Наиболее перспективной технологией, по мнению специалистов, является гибридная, но для этого передаваемую информацию нужно постоянно конвертировать, например, превращать из микроволнового излучения в фотоны света. Система, предложенная учеными из НИТУ МИСиС и МФТИ, позволяет проводить эти преобразования относительно легко, с помощью электромагнитного поля.

Система со сверхсильным фотон-магнонным взаимодействием, предложенная специалистами, обладает силой взаимодействия около 350 Гц – прежние установки имели мощность всего около 100 Гц. Две сверхпроводящие пленки в ней разделены диэлектриком, внутрь помещается ферромагнетик – вещество, обладающее собственным упорядоченным магнитным полем. Электромагнитные волны внутри системы начинают взаимодействовать с ферромагнетиком, и в результате движение фотонов замедляется, что позволяет создать прочную фотон-магнонную связь.

Эксперты, однако, отмечают, что разработка стала настоящим вызовом для ученых, так как магнонные системы по своему размеру гораздо меньше фотонных, что затрудняет их разработку. Однако они гораздо лучше «управляются» с помощью магнитного поля и открывают широкие перспективы не только для создания квантовых суперкомпьютеров, но и для изучения фундаментальных законов физики.