Квантовый компьютер: достижения и перспективы
В рамках онлайн-дискуссии «Квантовые технологии: настоящее и будущее» руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Сергей Кулик рассказал слушателям об успехах мирового научного сообщества в создании квантового компьютера, о последних разработках квантовой физики, а также обозначил вклад российской науки в их развитие.
Квантовая физика 20 и 21 веков: сходства и отличия
В конце 19 века еще совсем юный немецкий ученый Макс Планк пришел к своему семидесятилетнему наставнику и поделился желанием заняться теоретической физикой. Изумленно посмотрев на молодого ученика, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли посоветовал подопечному выбрать другую профессию, ведь изучение теоретических основ этой науки было практически завершено. А в 1900 году, пытаясь объяснить экспериментально полученные закономерности теплового излучения твердого тела с помощью классических теорий, Макс Планк ввел понятие «квант», дав начало новому направлению науки – квантовой физике.
Сегодня ученые всего мира активно обсуждают разработку квантового компьютера, который в перспективе должен решить глобальные задачи, неподвластные существующим в 2020 году электронным устройствам.
«На протяжении 20 века технологии имели дело с большими квантовыми системами (где находилось много квантовых субъектов, так называемых ансамблей). Сегодня уровень совершенно другой. Развитие технологий дало возможность ученым изучить отдельные элементы (ионы, фотоны и т. д.)», – поясняет руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Сергей Кулик.
С практической точки зрения результаты первой квантовой революции у нас перед глазами: это и электроника, и транзисторы, и те самые экраны, с которых каждый из вас сейчас читает этот текст. Однако со второй революцией дела обстоят сложнее. «Сегодня в квантовых технологиях наиболее продвинуты три отрасли: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. К сожалению, пока особо хвастаться нечем: достижения в основном связаны с сенсорами (используются в навигации, геологоразведке, транспорте, медицине), но и их не так много, поэтому принято говорить о перспективах. Среди них – построение квантового компьютера и защищенных систем связи», – рассказывает Сергей Кулик.
Превосходство и недостатки квантового компьютера
Отвечая на вопрос о пользе квантового компьютера, ученые нередко упоминают понятие «квантовое превосходство». Предполагается, что такой компьютер будет решать сложные специфические задачи. К примеру, сможет рассчитать персональную норму лекарств для пациента или создать вещества с заранее заданными свойствами, например, строительные материалы. Но поначалу новое устройство будет большим по размеру и вряд ли пригодится в быту. «Движение в сторону разработки квантового компьютера есть, но пока из результатов только создание демонстрационных моделей, которые можно использовать в учебных целях. Полномасштабные компьютеры, в основе которых тысячи кубит (кубит − это элемент с квантовым разрядом, предназначенный для хранения информации квантового компьютера. В отличие от обычного компьютерного бита, который имеет лишь два состояния − нуль или единицу − кубит может находиться в состоянии суперпозиции (может быть одновременно и нулем и единицей), не подчиняясь традиционным состояниям. – Прим. ЛНЖ), на мой взгляд, вряд ли будут созданы в ближайшие 5 лет», – делает прогноз Сергей Кулик.
По мнению руководителя Центра квантовых технологий физического факультета МГУ, проблема состоит, в первую очередь, в отсутствии аппаратных технологий, которые помогли бы полностью использовать возможности квантовых разработок. Квантовое моделирование продвинулось гораздо дальше, чем аппаратные платформы. «Помимо технологических недостатков существуют и физические ограничения: очень хрупкие частицы, которые чувствительны к внешней среде. Например, если в 3 км от устройства проехал трамвай, система заряженных частиц почувствует это, вследствие чего компьютер может прекратить работу. Поэтому ученым предстоит научиться работать с разрушением квантов и исправлением квантовых ошибок», – поясняет Сергей Кулик.
О «квантовом превосходстве» еще в прошлом году заявила компания Google. Используя программное обеспечение квантового компьютера под названием Sycamore представители сообщили, что их разработке действительно удалось выполнить за 200 секунд вычисление, на которое у самого мощного суперкомпьютера в мире потребовалось бы 10 тысяч лет. Однако позднее корпорация IBM отметила, что в расчетах Google есть ошибка: суперкомпьютер Summit, разработанный компанией IBM, посчитает ту же задачу за гораздо более короткий срок – не за 10 тыс. лет, а всего за 2,5 дня − и к тому же с гораздо большей надежностью. Все, что для этого нужно, – увеличить емкость дискового хранилища.
Две недели назад китайские физики собрали оптическую схему, способную, по расчетам авторов, за несколько минут провести операцию, которая традиционным путем решалась бы около 2 млрд лет.
«Статья, опубликованная китайскими учеными в журнале Science очень хорошая, но надо заметить, что те квантовые состояния, которые они использовали, чтобы преобразовать фотонные чипы, сильно подвержены потерям. Коллеги показали, что порядка 100 кубитов можно сделать на фотонном чипе, но, на мой взгляд, это не очень перспективный путь, поскольку система не масштабируются. В нашем центре тоже занимаются этим направлением, и работа китайских ученых, которая технологически выполнена превосходна, доказывает, что мы движемся в правильном направлении», – рассказывает Сергей Кулик.
А что у нас?
Сегодня в России не так много профессионалов в области квантовых технологий. Вычислениями занимаются в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН, Российском квантовом центре, НИТУ «МИСиС», ВНИИА имени Духова совместно с МГТУ им. Н. Э. Баумана, фотонные чипы и нейтральные атомы подробно изучают в Центре квантовых технологий физического факультета МГУ. «К сожалению, у нас мало кадров, особенно в области “железа”. Мы потеряли много ученых в 90-е годы», − поясняет Сергей Кулик. Ключевыми проблемами остаются вопросы финансирования и создания совместных проектов с западными партнерами. «В Европе, например, отлично развита кооперация научных институтов. К счастью, информация о работе западных коллег открыта, и мы, конечно, внимательно изучаем ее, но все же сегодня главная задача для нашей страны развиваться в этом направлении активнее, чтобы в какой-то момент не оказаться совсем за бортом», – подчеркивает ученый.
Фото: https://images11.popmeh.ru/upload/img_cache/046/046a9ed558841396348815de38fed675_ce_1920x1024x0x28_c...
