МОСКВА, 14 июл — РИА Новости. Российские и американские ученые, работающие в Гарварде, создали и проверили первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51 кубита. Устройство пока является самой сложной вычислительной системой такого рода, заявил профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин.

Физик сообщил об этом, выступая с докладом на Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017, которая проводится под эгидой РКЦ в Москве. Это достижение позволило группе Лукина стать лидером в гонке по созданию полноценного квантового компьютера, которая неофициально проходит уже несколько лет между несколькими группами ведущих физиков мира.

Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.

Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности.

В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считалась команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.

Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая, как рассказал Мартинис РИА Новости, сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические "холодные атомы".

Как обнаружили российские и американские ученые, набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных "клеток" и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать пока самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.

Используя набор подобных кубитов, команда Лукина уже решила несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи "классических" суперкомпьютеров. К примеру, российские и американские ученые смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.

Для проверки результатов этих вычислений Лукину и его коллегам пришлось разработать специальный алгоритм, который позволил провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Лукин не исключает, что его команда попытается запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA. По словам Лукина, статья с первыми результатами работы квантового компьютера уже была принята к публикации в одном из рецензируемых научных журналов.

Российские и американские ученые, работающие в Гарварде, создали и проверили первый в мире 51-кубитный квантовый компьютер — саму сложную вычислительную систему такого рода.

О этом заявил заявил профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин, сообщают РИА Новости.

Физик рассказал об этом на Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017 в Москве.

Это достижение позволило группе Лукина стать лидером в "гонке" по созданию полноценного квантового компьютера, которая неофициально проходит уже несколько лет между несколькими группами ведущих физиков мира.

Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе.

Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.

Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств - классический и адиабатический.

Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства.

Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами.

Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала 20 века, а не к цифровым устройствам современности.

В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины.

Лидером в этой неформальной гонке считалась команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.

Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические "холодные атомы".

Как обнаружили российские и американские ученые, набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных "клеток" и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать пока самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.

Используя набор подобных кубитов, команда Лукина уже решила несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи "классических" суперкомпьютеров.

К примеру, российские и американские ученые смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.

Для проверки результатов этих вычислений Лукину и его коллегам пришлось разработать специальный алгоритм, который позволил провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Лукин не исключает, что его команда попытается запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA.

По словам Лукина, статья с первыми результатами работы квантового компьютера уже была принята к публикации в одном из рецензируемых научных журналов.

Затраты на реализацию проекта "Русское поле" частично покрываются за счет денежных средств, предоставленных фондом "Русский мир"

Недавно гарвардской группе физика Михаила Лукина удалось создать - фактически, подобие вещества, которое состоит не из атомов, а из квантов света. Это фундаментальное открытие, - ранее о возможности фотонной материи говорили только теоретически, - имеет непосредственное практическое применение: на основе взаимодействующих фотонов можно создавать вычислительную логику для квантовых компьютеров. Пока это дело отдаленного будущего, но уже сейчас группа Лукина работает над созданием коммуникационных устройств для систем абсолютно защищенной связи.

Михаил Лукин, - профессор Гарвардского университета и по совместительству глава Международного консультативного совета Российского квантового центра . Он - один из самых цитируемых физиков российского происхождения. Его группа занимается не только фундаментальными исследованиями в фотонике, но и ее технологическим применением. Причем не только в области квантовых коммуникаций или квантовых вычислений, но и в применении к медицине: летом этого года группа Лукина создала алмазные , с помощью которых можно селективно и контролируемо убивать раковые клетки. «Лента.ру» поговорила с ученым о том, как новое открытие способно приблизить появление полноценных квантовых компьютеров, легко ли фундаментальная физика превращается в медицинские стартапы и о том, что он делает для Сколково, работая в Бостоне.

«Лента.ру»: В вашей последней статье говорится о создании фотонной материи. Что это такое?

Давайте я попробую объяснить на простом примере. Представьте два лазерных пучка, которые вы перекрещиваете друг с другом. Фотоны этих пучков никак не взаимодействуют, они проходят друг сквозь друга, никак друг на друга не влияя, как две волны на поверхности озера. Это происходит вследствие того, что индивидуальные кванты света, фотоны, - фундаментально не взаимодействующие частицы. Однако если те же лазерные пучки вы скрестите не в вакууме, а в некоей среде, например в стекле, ситуация поменяется. Свет разных пучков станет взаимодействовать: лучи будут друг друга немного отклонять или скорость в одном пучке будет меняться в зависимости от интенсивности другого.

Почему это происходит? Дело в том, что свет сам по себе меняет среду, в которой он распространяется. Обычно очень слабо, но меняет. Изменившаяся среда по-другому проводит электромагнитное излучение - и именно через среду происходит взаимодействие фотонов.

Все это довольно давно известно. Область физики, которая занимается подобными взаимодействиями, существует уже почти полвека и называется нелинейной оптикой. В нее, кстати говоря, большой вклад сделали советские ученые. Однако до сих пор никому не удавалось заставить взаимодействовать не лазерные лучи, а отдельные кванты света.

В принципе, теоретически над этим многие думали ранее. Лет 20-30 назад были теоретические предсказания касательно того, какую среду распространения света нужно сделать, чтобы заставить фотоны внутри нее взаимодействовать. Была предсказана возможность существования таких экзотических объектов, фотонных пар, - по существу, фотонных молекул. В этой статье в Nature , про которую вы говорите, мы описали, как нам, наконец, удалось такие пары получить. Их, собственно, и называют фотонной материей - из-за того, что они сильно напоминают молекулы, но состоят не из атомов, а из фотонов.

Здесь следует добавить, что изучение взаимодействующих фотонов интересно не только само по себе. Оно имеет прямое практическое применение в информационных технологиях, в коммуникациях. Дело вот в чем. С одной стороны, тот факт, что обычно фотоны не взаимодействуют, - это их большое преимущество как носителя информации. Но с другой стороны, если мы хотим как-то перерабатывать информацию, которая передается с помощью света, то необходимо делать какие-то переключатели, какие-то логические элементы. А для этого нужно, чтобы фотоны как-то вступали во взаимодействие друг с другом. Сейчас свет в основном используется только для передачи информации, а для манипуляции с ней его нужно переводить в какой-то электрический сигнал. Это неудобно, медленно и неэффективно. Поэтому, если нам удастся заставить фотоны взаимодействовать друг с другом, мы сможем создать полностью фотонные устройства, обрабатывающие информацию.

Как устроена среда, в которой существует фотонная материя?

В нашей установке она состоит из охлажденных атомов рубидия, образующих достаточно плотный атомный газ. В этой среде свет распространяется очень медленно. То есть по сравнению с вакуумом скорость света падает в любой среде, это понятно, но в данном случае фотоны почти останавливаются - их скорость составляет около ста метров в секунду. Метод такой «остановки света» мы опубликовали еще в 2001 году (Лента.ру об этой работе).

Изображения: Ofer Firstenberg et al., Nature, 2013

Распространяясь в такой среде, фотоны как бы тянут за собой шлейф атомных возбуждений. За счет этого, собственно, свет и замедляется. Но самое интересное заключается в том, что атомы в этой среде начинают настолько сильно друг с другом взаимодействовать, что эти взаимодействия переносятся на фотоны, и они, фотоны, как бы начинают притягиваться друг к другу. В результате, фотоны, во-первых, приобретают эффективную массу и, во-вторых, за счет взаимного притяжения формируют связное состояние, которое напоминает молекулу. Законы, описывающие поведение фотонов в такой среде, очень похожи на законы, описывающие поведение частиц с массой, массивных атомов.

Фотонная молекула, которую нам удалось получить, это только начало, потому что в принципе из них можно создавать и более сложные объекты. Прежде всего нас интересуют сейчас аналоги кристаллических структур, фотонные кристаллы.

Имеется в виду фотонная материя, содержащая не два фотона, а больше?

Не только больше, но и на регулярных интервалах. Чтобы получить такое состояние, фотоны должны отталкиваться, а не притягиваться. В принципе, мы знаем, как этого добиться, и я думаю, что небольшие кристаллы наверняка можно сделать в ближайшем будущем.

Полученные вами пары фотонов, насколько я понимаю, достаточно стабильны. То есть их, как и всякие фотоны, нельзя остановить, они должны двигаться в среде, но они относительно длительное время существуют в паре, не коллапсируют, не превращаются, скажем, в один фотон увеличенной энергии. При этом, как вы сказали, в среде между ними возникает только сила притяжения, без отталкивания. Почему так происходит?

Все дело в том, что это квантовая система. Вспомните атомную модель Бора, у которой в этом году столетний юбилей. Ведь в обычном атоме тоже есть положительно заряженное ядро, есть электрон и между ними нет никаких сил отталкивания, только притяжение. Тем не менее, электрон на ядро не падает, как мы знаем.

Происходит это из-за квантования энергии, которая позволяет электрону как бы двигаться вокруг ядра и при этом не коллапсировать. Точно такая же история происходит с нашими фотонами. В принципе, между ними есть только сила притяжения, но из-за того, что это квантовая система, она не коллапсирует, она находится в стабильном состоянии. Ситуация очень похожа на ту, что имеет место в молекулах с двумя атомами. То есть название «фотонной материи» для этих пар частиц весьма оправданно, - аналогия здесь достаточно глубокая.

В этом же выпуске Nature , где появилась ваша статья, опубликована работа Фукухара, где подобный эффект спаривания был продемонстрирован не на фотонах, а на магнонах - виртуальных магнитных частицах.

Да, это сделала группа Эммануэля Блоха из института Макса Планка. Это действительно очень необычное совпадение, потому что системы, на которых мы работаем, совершенно разные, но эффекты, которые мы наблюдаем, удивительно похожи.

Группа Блоха работала с атомами, фиксированными в оптической ловушке . Это довольно известная система, которая при помощи нескольких лазеров позволяет создать оптическую решетку, в которой атомы сидят в потенциальных ямах, условно говоря, как яйца в коробке. В исходном состоянии все эти атомы имеют один спин, то есть их магнитная поляризация направлена в одну сторону. Воздействуя на эту среду светом, Блох и коллеги добились того, что пара атомов поменяла спин на противоположный, а затем эта инверсия начала волной распространяться вдоль решетки.

При этом тоже возникла пара связанных частиц, только в их случае магнонов, а не фотонов. То, что магноны могут существовать в связанном состоянии, было известно, в принципе, и раньше. Но группе Блоха впервые удалось проследить распространение этих связанных частиц в среде. Волновая функция такого связанного состояния частиц очень похожа на то, что мы увидели для фотонов. Оказывается, это такой достаточно универсальный эффект.

Мы с Эммануэлем недавно встретились на конференции. За завтраком, когда я показал ему свои данные, возникла довольно забавная ситуация: наши данные оказались настолько похожи при совершенно разных физических процессах, что оставалось только сказать «вау».

Да, но пары магнонов, в отличие от фотонной материи, гораздо менее удобны для применения в коммуникациях. Расскажите, пожалуйста, что с фотонной материей можно делать в практическом плане?

Прикладная цель нашей работы - создание фотонной логики. В системах, где отдельные фотоны могут друг с другом взаимодействовать, мы можем создавать, скажем, однофотонные переключатели или однофотонные транзисторы. Одна из конкретных задач заключается в том, чтобы подойти к созданию квантового повторителя - устройства, которое позволяет передать квантовую информацию, не разрушая ее квантовой природы.

Что такое квантовый повторитель? Вы, конечно, знаете о , в которой информация передается с помощью одиночных фотонов, находящихся в суперпозиции двух состояний. Теоретически, передача ключа с помощью одиночных фотонов является абсолютно надежной технологией шифрования, потому что любая попытка злоумышленника вмешаться в систему и перехватить сообщение будет заметна. Этим, собственно, квантовая криптография и интересна. Однако в любых каналах существуют потери, поэтому ныне существующая квантовая связь ограничивается тем расстоянием, на котором большая часть фотонов не теряется - это десятки, максимум - сотни километров.

В принципе, проблема потерь существует и в классической связи, но там она решается с помощью обычных повторителей, которые принимают сигнал, немножко «чистят» его, повторяют в усиленном виде и отправляют дальше по оптической сети. Для квантовой связи необходимы аналоги таких устройств. Но проблема в том, что если вы посылаете информацию, закодированную в одном фотоне, вы не можете его «усилить» (типичным примером является детекция фотона с неизвестной поляризацией - если базис при измерении будет не совпадать с базисом поляризации фотона, информация просто будет потеряна - прим. «Ленты.ру» ).

Квантовый повторитель должен уметь две базовые вещи. Во-первых, он должен уметь сохранить квантовую информацию, которая передается с фотонами. Чтобы добиться этого, мы, собственно, и работали над тем, что называют «остановкой света». В этом, собственно, была практическая мотивация нашей работы - мы пытались остановить импульс, записав его информацию в атомное возбуждение.

Во-вторых, чтобы сделать этот повторитель, необходимо научиться делать логические переключатели для фотонов, фотонную логику. И те эксперименты, которые сейчас были опубликованы, они имеют прямое отношение к созданию такой логики для квантовых повторителей.

А кубитами в этом компьютере выступают фотонные пары?

Нет, кубитами являются отдельные фотоны. И логика будет построена на основе их соединения и разъединения в фотонные молекулы. Поскольку мы можем связать фотоны в пары, мы представляем, как создать переключатель, где, скажем, наличие одного фотона сможет остановить распространение другого. На этом уже можно строить вычислительную логику.

Конечно, здесь очень много работы предстоит. Чтобы создать переключатель, мы должны во много раз улучшить взаимодействие между фотонами. Но основной принцип мы уже показали, и он работает. Теперь можно думать в более практическом ключе. На самом деле, в независимом эксперименте мы уже намного улучшили даже то качество взаимодействия (перформанс), которое было получено в опубликованных экспериментах.

Мы надеемся, что квантовыми повторителями применение фотонной материи не ограничится. В будущем, на их основе можно будет создать полноценные квантовые компьютеры, выполняющие вычисления. Это пока очень дальний горизонт, потому что для этого необходимо создать сотни, может даже тысячи кубитов. А квантовый повторитель - наша текущая, вполне осязаемая, практическая цель.

Вы занимаетесь не только фотонной материей. В августе мы про то, как ваша группа придумала неожиданное применения для алмазов с азотными вакансиями . Обычно их используют в роли кубитов, но вы сделали из них термометры даже не клеток, а их отдельных частей. Откуда появилась такая идея?

Сейчас в роли носителей кубитов используют самые разные системы. Это могут быть, например, охлажденные сверхпроводящие резонаторы, отдельные ионы или охлажденные атомы в оптической ловушке. Или, в случае данной работы, электроны в так называемых NV-центрах. Физически NV-центр - это просто дырка в кристаллической решетке алмаза, существующая рядом с примесью - атомом азота. Примеси эти существуют и в обычных алмазах, но мы можем создавать их и искусственно с помощью облучения, например, атомами азота. Причем эти центры можно делать в очень маленьких частицах, нанокристаллах алмаза.

Электроны NV-центра, если он расположен близко к поверхности, очень чувствительны к внешней среде, к ее температуре и магнитному полю. От этих параметров зависит, грубо говоря, скорость их квантовой эволюции. С одной стороны, для квантовых компьютеров это проблема - состояние системы становится хрупким, его становится трудно в таком кубите сохранить. Но, с другой стороны, такие NV-центры можно использовать как крайне чувствительные сенсоры.

Уникальность их в том, что они могут быть очень маленькими, то есть мы можем измерять поля и температуру в очень маленьких объемах. Естественно, что мы попробовали использовать такие нанокристаллы для приложений, где микроскопический размер - это преимущество. Например, для спектроскопии сложных биомолекул при комнатной температуре или для измерения температуры отдельных частей клетки. В той статье мы изучали возможности применения алмазных NV-центров именно как микроскопических термометров.

Такие нанокристаллы - это не только совершенно новый для биологов инструмент. Это еще и, потенциально, метод контролируемого уничтожения раковых клеток. И в этом смысле пример того, как совершенно фундаментальное исследование, такой «blue sky research», может приводить к разработке реальных приложений. Уже сейчас есть пара стартапов, которые пытаются эту методику коммерциализировать.

Это ваши стартапы?

Один из них создал мой бывший постдок, второй - мой бывший студент. Я в них вовлечен только как внешний советник. То есть я немножко знаю, что там происходит. Очень интересно наблюдать, как исследования превращаются в реальные приложения.

Вы возглавляете научный консультативный совет Российского квантового центра в Сколково , но сами в России не работаете. Хотя многие ваши коллеги как раз уже сюда перебрались. Как так получилось?

Когда, собственно, создавалось Сколково, мне пытались предложить создать большую лабораторию в Москве. Но я вообще не сторонник строительства больших империй, мне кажется, что когда есть огромные группы, в которых работают сотни человек, тогда руководитель реально уже не может наукой заниматься, он должен быть прежде всего менеджером. И на моей памяти это никогда не заканчивалось чем-то хорошим.

Моя позиция была в том, что если в Москве будет активный центр, в котором будут работать хорошие ученые, со своими идеями, своими группами, то я с удовольствием с ними буду взаимодействовать и сотрудничать. Свою лабораторию в Москве я создавать не захотел. Но я сказал, что могу помочь создать РКЦ, и, в частности, пообещал помочь найти хороших людей, которые могли бы создать лаборатории. Ну и посоветовать, как что можно организовать.

То, что было создано менее чем за два года, что я видел этим летом, уже впечатляет. Есть несколько теоретических и экспериментальных групп, которые уже начинают делать серьезные эксперименты. С группой Алексея Акимова у нас летом вышла совместная статья в Science .

Мы разговаривали с ним про эту публикацию . Он сейчас работает в Сколково, но вот эту установку, на которой, собственно, и сделана статья, собирали в Америке.

Это так. Тем не менее, сейчас здесь уже есть научная жизнь, уже появляются довольно интересные работы. Я имею в виду группы Акимова, Калачевского, Львовского, Желтикова и Устинова («Лента.ру» писала про создание в лаборатории последнего).

Я довольно много времени и сил потратил на то, чтобы помочь сделать так, чтобы все это работало правильно. Сейчас главный вопрос, который меня беспокоит - это вопрос о том, какое будущее ждет квантовый центр и вообще подобные проекты. Этот вопрос важный, потому что...

Потому что люди хотят планировать свою жизнь...

Не только. Дело в том, что одним Квантовым центром не решишь всех проблем. Должна быть по крайней мере какая-то группа таких институтов или центров. У них должна быть хоть какая-то долговременная перспектива - только так создается настоящая научная среда.

Лично мне наиболее удивительно в этой истории то, насколько много ведущих мировых ученых согласилось помочь в создании этого центра. И помогли, причем помогли совершенно безвозмездно. Для российской действительности, это, насколько я понимаю, случай уникальный. Может быть, именно поэтому и получилось что-то хорошее сделать.

МОСКВА, 14 июл — РИА Новости. Российские и американские ученые, работающие в Гарварде, создали и проверили первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51 кубита. Устройство пока является самой сложной вычислительной системой такого рода, заявил профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин.

Физик сообщил об этом, выступая с докладом на Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017, которая проводится под эгидой РКЦ в Москве. Это достижение позволило группе Лукина стать лидером в гонке по созданию полноценного квантового компьютера, которая неофициально проходит уже несколько лет между несколькими группами ведущих физиков мира.

Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.

Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности.

В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считалась команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.

Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая, как рассказал Мартинис РИА Новости, сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические "холодные атомы".

Как обнаружили российские и американские ученые, набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных "клеток" и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать пока самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.

Используя набор подобных кубитов, команда Лукина уже решила несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи "классических" суперкомпьютеров. К примеру, российские и американские ученые смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.

Для проверки результатов этих вычислений Лукину и его коллегам пришлось разработать специальный алгоритм, который позволил провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Лукин не исключает, что его команда попытается запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA. По словам Лукина, статья с первыми результатами работы квантового компьютера уже была принята к публикации в одном из рецензируемых научных журналов.

В пятницу утром, 14 июля, на Международной конференции по квантовым технологиям Михаил Лукин - сооснователь Российского квантового центра и профессор в Гарвардском университете - рассказал о создании его научной группой полностью программируемого 51-кубитного квантового вычислителя. На первый взгляд, такой результат можно назвать внезапным прорывом в этой области - такие гиганты, как Google и IBM, только подбираются к рубежу 50 кубитов в квантовом компьютере. Буквально вчера на сервере препринтов arXiv.org появилось подробное описание эксперимента. Редакция N + 1 решила разобраться в том, что же все-таки произошло и чего ждать от нового квантового компьютера.

Коротко о квантовых компьютерах - универсальных и неуниверсальных

На что похож 51-кубитный компьютер?

Разберемся с системой, созданной физиками в новой работе. Роль кубитов в ней играют холодные атомы рубидия, захваченные в оптическую ловушку. Сама ловушка представляет собой массив из 101 оптического пинцета (сфокусированного лазерного луча). Атом удерживается пинцетом в равновесном положении за счет градиента электрического поля - он притягивается к области с максимальной напряженностью электрического поля, которая находится в точке фокуса пинцета. Так как все пинцеты выстроены в ряд, все атомы-кубиты компьютера также выстроен в цепочку.

«Ноль» для каждого из атомов рубидия - его основное, невозбужденное состояние. «Единица» - специально подготовленное ридберговское состояние. Это такое возбужденное состояние, в котором внешний электрон рубидия оказывается очень далеко от ядра (на 50-й, 100-й, 1000-й орбитали), но по-прежнему остается с ним связан. Из-за большого радиуса ридберговские атомы начинают взаимодействовать (отталкиваться) на гораздо больших расстояниях, чем обычные. Это отталкивание и позволяет превратить ряд из 51 атома рубидия в цепочку сильно взаимодействующих частиц.

Для управления состояниями кубитов используется отдельная система лазеров, способная возбуждать их в ридберговское состояние. Главная и важнейшая особенность нового вычислителя - возможность напрямую адресоваться к каждому из 51 кубита. Существуют и более сложные ансамбли атомов, в которых наблюдаются запутанные квантовые состояния (недавно мы о 16 миллионах атомов, запутанных взаимодействием с одним фотоном), а квантовое моделирование выполняли и на более чем сотне холодных атомов. Но во всех этих случаях у ученых не было возможности точно контролировать систему. Именно поэтому новая система называется полностью программируемым квантовым компьютером.

Каждое вычисление на квантовом компьютере - в некотором смысле моделирование реальной квантовой системы. Основная часть новой работы посвящена моделированию хорошо известной квантовой системы - модели Изинга. Она описывает цепочку (в данном случае) частиц с ненулевыми спинами (магнитными моментами), взаимодействующих со своими соседями. Модель Изинга часто привлекают для описания магнетизма и магнитных переходов в твердых телах.

Эксперимент был построен следующим образом. Сначала частицы охлаждали и захватывали в оптические пинцеты. Это вероятностный процесс, поэтому поначалу массив частиц был хаотичным. Затем с помощью последовательности измерений и корректировок создавался бездефектный массив из более чем 50 холодных атомов в основном невозбужденном состоянии. На следующем этапе оптические пинцеты отключали и одновременно с этим включали систему, возбуждавшую атомы в ридберговское состояние. Некоторое время система эволюционировала под действием ван-дер-ваальсовых сил - атомы занимали наиболее «удобные» для них позиции, после чего пинцеты снова включали и изучали результат эволюции.

В зависимости от того, как близко располагались холодные атомы до возбуждающего импульса, физики наблюдали разные результаты эволюции. Это связано с тем, что ридберговские атомы способны подавлять возбуждение соседей до ридберговских состояний (из-за сильного отталкивания). Ученые наблюдали системы, в которых атомы после эволюции оказывались упорядочены так, что между каждой парой соседних ридберговских атомов был строго один, строго два или строго три обычных.

Интересно, что образование очень упорядоченных структур после свободной эволюции происходило с очень большой вероятностью - даже в случае массива из 51 холодного атома.

Чтобы посмотреть, как происходит процесс эволюции, ученые включали пинцеты и «фотографировали» систему в разные моменты времени. Оказалось, что в некоторых случаях эволюция к состоянию равновесия происходила очень медленно: система долгое время колебалась между несколькими состояниями. Этот результат можно подтвердить грубым классическим моделированием, вовлекая в анализ взаимодействия между соседними и следующими за соседними атомами.

Полезно ли это?

Это один из тех случаев, когда квантовое моделирование предсказывает реальный новый эффект. Стоит заметить, что точно смоделировать систему из 51 холодного атома с помощью классического компьютера невозможно. Чтобы только описать все возможные ее состояния потребуется 2 51 бита оперативной памяти (около петабайта). Подтвердить этот эффект удалось лишь грубым моделированием на классическом компьютере.

Интересно, что ровно обратная ситуация возникает при квантово-химических расчетах - классические компьютеры дают лишь приблизительную оценку свойств для сложных систем, затрачивая на это огромные вычислительные ресурсы. В то же время прямой анализ этих, безусловно, квантовых систем дает точный результат.

А для чего еще он пригодится?

В конце препринта авторы традиционно приводят список областей, в которых может быть полезна новая разработка. Можно перечислить некоторые из них: создание суперпозиций, состоящих из большого количества частиц, исследование топологических состояний в спиновых системах. Физики отдельно отмечают, что алгоритм хорошо подходит для решения задач оптимизации систем, размеры которых заведомо превышают предел досягаемости обычных компьютеров. Эти задачи включают в себя моделирование химических реакций и обучение .

Созданная Михаилом Лукиным и его коллегами система работает сейчас как квантовый симулятор - она моделирует системы, подобные самой себе. Однако стоит заметить, что на отдельных парах ридберговских атомов физикам уже удавалось создавать логические CNOT -вентили, используемые для создания запутанности. Поэтому можно говорить о том, что в новой системе можно реализовать некоторые простейшие алгоритмы (к примеру, алгоритм Дойча, или алгоритм Шора для очень маленьких чисел). Однако на данном этапе эти алгоритмы не будут полезными.

Михаил Лукин (слева) и Джон Мартинис (справа) - глава группы, разрабатывающей 49-кубитный квантовый компьютер в Google

Российский квантовый центр

В некотором смысле новое устройство уже сейчас способно решать задачи, недоступные для классических компьютеров - его невозможно точно смоделировать обычными компьютерами. Но говорить о полезном квантовом превосходстве, которое уже сейчас пригодится в прикладных задачах, еще рано. Многие ученые отмечают, что гонка за квантовым превосходством сейчас не несет в себе ничего полезного с точки зрения прикладных вычислительных задач.

Стоит заметить, что эксперименты с атомами в оптических решетках уже несколько лет назад превзошли предел досягаемости точного моделирования классическими компьютерами. В них используются десятки связанных между собой частиц. Например, с их помощью квантовые кооперативные явления, родственные сверхтекучести и сверхпроводимости. Является ли это квантовым превосходством?

Владимир Королёв