Квантовые компьютеры на «холодных атомах»

Нередко возникает вопрос: есть ли в современной физике задачи, сопоставимые по значимости с созданием атомной бомбы? Такой задачей можно считать создание квантового компьютера. Хотя этим занимается множество физиков, вопрос о том, можно ли создать практически полезный квантовый компьютер, остается открытым. Интерес к реализации квантовых вычислений вызван даже не столько их практической значимостью, сколько тем, что проблема квантового компьютера тесно связана с одним из магистральных направлений современной науки – управлением отдельными квантовыми системами. Работы в этой области в 2012 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.

До сих пор прогресс в микроэлектронике иллюстрировался эмпирическим законом Мура: каждые два года число транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается. Однако законы квантовой механики ставят предел быстродей­ствию обычных компьютеров, поскольку дальнейшее уменьшение размеров транзистора невозможно из-за эффекта квантового туннелирования электрона через закрытый затвор транзистора.

В настоящее время созданы технологии фотолитографии с разрешающей способностью 14 нм, а квантовый предел ширины затвора составляет приблизительно 5 нм. И в этом смысле квантовые вычисления – это попытка превратить ограничения в преимущество.

Родом из СССР

Идея квантовых вычислений имеет российское (советское) происхождение. Еще в 1973 г. математик А. С. Холево опубликовал работу, в которой доказал теорему Холево, что n двухуровневых квантовых систем (квантовых битов) могут хранить информации больше, чем n битов. Спустя семь лет идею создания «квантовых автоматов», т. е. квантового компьютера, выдвинул советский математик Ю. И. Манин во введении к своей книге «Вычислимое и невычислимое» (1980). Но популярность к квантовым компьютерам пришла годом позже, после того как на эту проблему обратил внимание выдающийся американский физик, Нобелевский лауреат Р. Фейнман.

В дальнейшем ученые заинтересовались так называемыми квантовыми симуляторами – искусственно созданными квантово-механическими система­ми, которые могут быть использованы для моделирования физических явлений в более сложных системах. Сами же квантовые компьютеры нужны для решения математических задач, относящихся к категории невычислимых, для которых увеличение массива входных данных ведет к экспоненциальному росту числа операций на классическом компьютере.

Следует отметить, что квантовые компьютеры вовсе не должны заменить обычные компьютеры. Как, например, появление лазеров не привело к исчезновению обычных источников света, – благодаря лазерной технологии появилась возможность решения новых специфических задач. И хотя эффективность квантовых алгоритмов можно демонстрировать на примере таких задач, как факторизация больших чисел, намного более важным может оказаться применение квантовых компьютеров для моделирования физических явлений в сфере нано- и биотехнологий.

Как устроен квантовый компьютер?

Основа квантового компьютера – квантовый регистр, система, состоящая из N квантовых объектов, каждый из которых может находиться в двух квантовых состояниях. Такие квантовые объекты называются квантовыми битами или кубитами. Два состояния кубита «0» и «1» соответствуют логическому нулю и единице. В отличие от классического бита, кубит может находиться в квантовой суперпозиции состояний 

⎸ψ1〉 = α⎹0〉+β│1

Квантовый регистр из N кубитов может находиться в когерентной суперпозиции 2^N состояний. Элементарная операция в квантовых вычислениях производится над всей суперпозицией – в классическом компьютере для этого потребовалось бы 2^N шагов. Таким образом, квантовый параллелизм является важным практическим преимуществом квантовых вычислений.

В ИФП СО РАН создана установка для экспериментов с ультрахолодными ридберговскими атомами. Атомы рубидия внутри вакуумной камеры захватываются в магнитооптическую ловушку, образованную тремя парами ортогональных встречных лазерных пучков и двумя катушками, создающими неоднородное магнитное поле. Затем холодные атомы возбуждаются в ридберговские состояния и благодаря огромным величинам дипольных моментов начинают взаимодействовать друг с другом на расстояниях порядка 10 мкм. Для регистрации ридберговских атомов используется метод селективной полевой ионизации, когда атом, находящийся в определенном квантовом состоянии, ионизуется постоянным электрическим полем

Для выполнения квантовых вычислений необходимы как однокубитовые логические операции, когда направленно изменяется квантовое состояние отдельного кубита, так и двухкубитовые, при которых преобразуется состояние двух кубитов одновременно. При этом такие пары кубитов могут оказаться в так называемых перепутанных состояниях, которые привлекают внимание физиков с 1935 г., когда была опубликована статья о парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена (A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, 1935).

В последние десять лет в реализации идеи квантовых компьютеров произошел значительный прогресс. -Наиболее важное требование к квантовому компьютеру как физической системе – управление состоянием каждого отдельного кубита и предельная изоляция от внешнего окружения.

В настоящее время рассматриваются различные физические системы, пригодные для реализации квантовых вычислений. Например, в качестве состояний кубита можно рассматривать состояния поляризации фотонов, которые практически не подвержены декогеренции. Основным недостатком подобных схем квантовых вычислений является большая скорость потерь фотонов, сопоставимая со скоростью декогеренции в альтернативных реализациях квантового компьютера.

Квантовую информацию можно кодировать и в сверхтонких состояниях нейтральных атомов, время жизни которых составляет секунды. Дальнодействующие взаимодействия между атомами позволяют выполнять двухкубитовые логические операции. Нейтральные атомы можно захватывать в оптические решетки, образуемые стоячими световыми волнами. Для этого необходимо предварительно охладить атомы до сверхнизких температур силами резонансного светового давления – эти работы также были отмечены Нобелевской премией по физике (1997 г.). В результате удается создать пространственно упорядоченные структуры из нейтральных атомов, захваченных лазерным излучением.

В 2010 г. в университете Висконсин-Мэдисон (США) впервые были продемонстрированы двухкубитовые квантовые логические операции с нейтральными холодными атомами. В настоящее время ведутся работы с 49 кубитами. Близкий подход – применение ионов, охлажденных лазерным излучением за счет сил резонансного светового давления и удерживаемых электрическим полем.

Для практического применения наибольший интерес представляют твердотельные технологии. Широко известным и достаточно перспективным методом реализации квантового компьютера является использование сверхпроводников. Преимущество такого подхода – большие времена декогеренции несмотря на мезоскопический масштаб отдельных кубитов, где в коллективном движении участвуют ~1010 электронов.

Канадская компания D-Wave Systems еще в феврале 2007 г. заявила о создании первого образца квантового компьютера с использованием сверхпроводящих кубитов. Эти устройства, тем не менее, не являются полноценными универсальными квантовыми компьютерами, поскольку в них пока не продемонстрировано ускорения вычислений, связанных с квантовым параллелизмом (Cho, 2014).

Ряд направлений, которые могут привести к созданию квантового компьютера на основе сверхпроводников, сегодня развивается в Институте физики полупроводников СО РАН. Они включают в себя исследование квантовых точек, азотных вакансий в алмазе и взаимодействия ультра¬холодных ридберговских атомов. В институте создана и успешно работает единственная в России установка для экспериментов с ультрахолодными ридберговскими атомами, на которой исследуется диполь-дипольное взаимодействие отдельных высоковозбужденных атомов, необходимое для реализации квантовых вычислений.

В заключение стоит отметить, что, несмотря на достигнутые успехи и огромный интерес со стороны физиков, к перспективам возможности создания полноценного квантового компьютера пока следует относиться с осторожным оптимизмом.

Литература

Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Ижевск: РХД. 2001. 352 с.

Манин Ю. И. Вычислимое и невычислимое. М.: Сов. радио, 1980. 128 с.

Feynman R. P. Simulating physics with computers // Int. J. Theor. Phys. 1982. V. 21. P. 467.