มอสโก 14 กรกฎาคม- อาร์ไอเอ โนโวสตินักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและชาวอเมริกันที่ทำงานที่ Harvard ได้สร้างและทดสอบนักวิทยาศาสตร์รายแรกของโลก คอมพิวเตอร์ควอนตัมประกอบด้วย 51 คิวบิต มิคาอิล ลูกิน ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและผู้ร่วมก่อตั้ง Russian Quantum Center (RCC) กล่าวว่าอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นระบบคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนที่สุดในประเภทเดียวกัน

นักฟิสิกส์ได้รายงานเรื่องนี้ขณะกำลังนำเสนออยู่ที่ การประชุมนานาชาติเกี่ยวกับเทคโนโลยีควอนตัม ICQT-2017 ซึ่งจัดขึ้นภายใต้การอุปถัมภ์ของ RQC ในกรุงมอสโก ความสำเร็จนี้ทำให้กลุ่มของ Lukin กลายเป็นผู้นำในการแข่งขันเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเต็มรูปแบบ ซึ่งเกิดขึ้นอย่างไม่เป็นทางการเป็นเวลาหลายปีระหว่างกลุ่มนักฟิสิกส์ชั้นนำหลายกลุ่มในโลก

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นอุปกรณ์คอมพิวเตอร์พิเศษที่มีพลังเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณผ่านการใช้กฎหมาย กลศาสตร์ควอนตัมในการทำงานของพวกเขา อุปกรณ์ดังกล่าวทั้งหมดประกอบด้วย qubits - เซลล์หน่วยความจำและในเวลาเดียวกันโมดูลการคำนวณดั้งเดิมที่สามารถจัดเก็บสเปกตรัมของค่าระหว่างศูนย์ถึงหนึ่ง

วันนี้มีสองแนวทางหลักในการพัฒนาอุปกรณ์ดังกล่าว - แบบคลาสสิกและแบบอะเดียแบติก ผู้เสนอกลุ่มแรกกำลังพยายามสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากล ซึ่งคิวบิตจะเป็นไปตามกฎเดียวกันกับที่อุปกรณ์ดิจิทัลทั่วไปทำงาน การทำงานกับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ดังกล่าวคงไม่แตกต่างไปจากวิธีที่วิศวกรและโปรแกรมเมอร์ใช้งานคอมพิวเตอร์ทั่วไปมากนัก คอมพิวเตอร์อะเดียแบติกนั้นสร้างได้ง่ายกว่า แต่หลักการทำงานของคอมพิวเตอร์นั้นใกล้เคียงกับคอมพิวเตอร์แอนะล็อกในต้นศตวรรษที่ 20 มากกว่ามากกว่าอุปกรณ์ดิจิทัลสมัยใหม่

ปีที่แล้วมีนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายทีมจากสหรัฐอเมริกา ออสเตรเลีย และอีกจำนวนหนึ่ง ประเทศในยุโรประบุว่าใกล้จะสร้างเครื่องจักรดังกล่าวแล้ว ผู้นำในการแข่งขันแบบไม่เป็นทางการครั้งนี้ถือเป็นทีมของ John Martinis จาก Googleซึ่งกำลังพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลเวอร์ชัน "ไฮบริด" ที่ไม่ธรรมดา ซึ่งรวมเอาองค์ประกอบของวิธีอนาล็อกและดิจิทัลเข้าไว้ด้วยกันในการคำนวณดังกล่าว

Lukin และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ RCC และ Harvard เลี่ยงกลุ่มของ Martinis ซึ่งดังที่ Martinis บอกกับ RIA Novosti ว่าขณะนี้กำลังทำงานเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ 22 คิวบิตโดยใช้ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์จาก Google แต่เป็น "อะตอมเย็น" ที่แปลกใหม่

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและอเมริกันได้ค้นพบ ชุดของอะตอมที่เก็บไว้ใน "กรง" เลเซอร์แบบพิเศษและถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมากสามารถใช้เป็นคิวบิตสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ เพื่อรักษาการทำงานที่เสถียรภายใต้เงื่อนไขที่หลากหลาย สิ่งนี้ทำให้นักฟิสิกส์สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใหญ่ที่สุดซึ่งประกอบด้วย 51 คิวบิต

ด้วยการใช้ชุดคิวบิตที่คล้ายกัน ทีมของ Lukin ได้แก้ไขปัญหาหลายอย่างแล้ว ปัญหาทางกายภาพยากมากที่จะจำลองโดยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ "คลาสสิก" ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและชาวอเมริกันสามารถคำนวณได้ว่ากลุ่มเมฆขนาดใหญ่ของอนุภาคที่เชื่อมต่อถึงกันมีพฤติกรรมอย่างไร และค้นพบผลกระทบที่ไม่ทราบมาก่อนเกิดขึ้นภายในนั้น ปรากฎว่าเมื่อแรงกระตุ้นในระบบสลายไป การสั่นบางประเภทสามารถคงอยู่และคงไว้ได้แทบไม่สิ้นสุด ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ไม่เคยสงสัยมาก่อน

เพื่อตรวจสอบผลลัพธ์ของการคำนวณเหล่านี้ Lukin และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องพัฒนาอัลกอริธึมพิเศษที่ทำให้สามารถคำนวณที่คล้ายกันในรูปแบบที่หยาบมากบนคอมพิวเตอร์ธรรมดาได้ โดยทั่วไปผลลัพธ์มีความสอดคล้องกัน โดยยืนยันว่าระบบ 51 ควิบิตของนักวิทยาศาสตร์ของฮาร์วาร์ดใช้งานได้จริง

ในอนาคตอันใกล้นี้ นักวิทยาศาสตร์ตั้งใจที่จะดำเนินการทดลองกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อไป Lukin ไม่ได้ปฏิเสธว่าทีมของเขาจะพยายามเรียกใช้อัลกอริธึมควอนตัมที่มีชื่อเสียงของ Shor ซึ่งทำให้สามารถทำลายระบบการเข้ารหัสที่มีอยู่ส่วนใหญ่โดยใช้อัลกอริธึม RSA จากข้อมูลของ Lukin บทความที่มีผลลัพธ์แรกของคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ในวารสารทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิรายหนึ่งแล้ว

นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและชาวอเมริกันที่ทำงานที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้สร้างและทดสอบคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 51 คิวบิตเครื่องแรกของโลก ซึ่งเป็นระบบคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนที่สุดในประเภทเดียวกัน

กล่าวโดยศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ผู้ร่วมก่อตั้ง Russian Quantum Center (RCC) มิคาอิล ลูกิน RIA Novosti รายงาน

นักฟิสิกส์พูดเกี่ยวกับเรื่องนี้ในการประชุมนานาชาติเรื่องเทคโนโลยีควอนตัม ICQT-2017 ในมอสโก

ความสำเร็จนี้ทำให้กลุ่มของ Lukin กลายเป็นผู้นำใน "การแข่งขัน" เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเต็มรูปแบบซึ่งเกิดขึ้นอย่างไม่เป็นทางการเป็นเวลาหลายปีระหว่างกลุ่มนักฟิสิกส์ชั้นนำหลายกลุ่มในโลก

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นอุปกรณ์คอมพิวเตอร์พิเศษที่มีพลังเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณโดยใช้กฎของกลศาสตร์ควอนตัมในการทำงาน

อุปกรณ์ดังกล่าวทั้งหมดประกอบด้วย qubits - เซลล์หน่วยความจำและในเวลาเดียวกันโมดูลการคำนวณดั้งเดิมที่สามารถจัดเก็บสเปกตรัมของค่าระหว่างศูนย์ถึงหนึ่ง

วันนี้มีสองแนวทางหลักในการพัฒนาอุปกรณ์ดังกล่าว - แบบคลาสสิกและแบบอะเดียแบติก

ผู้เสนอกลุ่มแรกกำลังพยายามสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากล ซึ่งคิวบิตจะเป็นไปตามกฎเดียวกันกับที่อุปกรณ์ดิจิทัลทั่วไปทำงาน

การทำงานกับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ดังกล่าวคงไม่แตกต่างไปจากวิธีที่วิศวกรและโปรแกรมเมอร์ใช้งานคอมพิวเตอร์ทั่วไปมากนัก

คอมพิวเตอร์อะเดียแบติกนั้นสร้างได้ง่ายกว่า แต่หลักการทำงานของคอมพิวเตอร์นั้นใกล้เคียงกับคอมพิวเตอร์แอนะล็อกในต้นศตวรรษที่ 20 มากกว่าอุปกรณ์ดิจิทัลในยุคของเรา

เมื่อปีที่แล้ว ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายทีมจากสหรัฐอเมริกา ออสเตรเลีย และหลายประเทศในยุโรปประกาศว่าพวกเขาใกล้จะสร้างเครื่องจักรดังกล่าวแล้ว

ผู้นำในการแข่งขันแบบไม่เป็นทางการนี้ถือเป็นทีมของ John Martinis จาก Google ซึ่งกำลังพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลรุ่น "ไฮบริด" ที่ไม่ธรรมดา โดยผสมผสานองค์ประกอบของแนวทางแอนะล็อกและดิจิทัลในการคำนวณดังกล่าว

Lukin และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ RCC และ Harvard เอาชนะกลุ่มของ Martinis ซึ่งขณะนี้กำลังทำงานเกี่ยวกับการสร้างคอมพิวเตอร์ 22 คิวบิตโดยใช้ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวดเหมือนกับนักวิทยาศาสตร์ของ Google แต่เป็น "อะตอมเย็น" ที่แปลกใหม่

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและอเมริกันได้ค้นพบ ชุดของอะตอมที่เก็บไว้ใน "กรง" เลเซอร์แบบพิเศษและถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมากสามารถใช้เป็นคิวบิตสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ เพื่อรักษาการทำงานที่เสถียรภายใต้เงื่อนไขที่หลากหลาย สิ่งนี้ทำให้นักฟิสิกส์สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใหญ่ที่สุดซึ่งประกอบด้วย 51 คิวบิต

ด้วยการใช้ชุดคิวบิตที่คล้ายกัน ทีมงานของ Lukin ได้แก้ไขปัญหาทางกายภาพหลายประการที่ยากมากในการจำลองโดยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ "คลาสสิก"

ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและชาวอเมริกันสามารถคำนวณได้ว่ากลุ่มเมฆขนาดใหญ่ของอนุภาคที่เชื่อมต่อถึงกันมีพฤติกรรมอย่างไร และค้นพบผลกระทบที่ไม่ทราบมาก่อนเกิดขึ้นภายในนั้น ปรากฎว่าเมื่อแรงกระตุ้นในระบบสลายไป การสั่นบางประเภทสามารถคงอยู่และคงไว้ได้แทบไม่สิ้นสุด ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ไม่เคยสงสัยมาก่อน

เพื่อตรวจสอบผลลัพธ์ของการคำนวณเหล่านี้ Lukin และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องพัฒนาอัลกอริธึมพิเศษที่ทำให้สามารถคำนวณที่คล้ายกันในรูปแบบที่หยาบมากบนคอมพิวเตอร์ธรรมดาได้ โดยทั่วไปผลลัพธ์มีความสอดคล้องกัน โดยยืนยันว่าระบบ 51 ควิบิตของนักวิทยาศาสตร์ของฮาร์วาร์ดใช้งานได้จริง

ในอนาคตอันใกล้นี้ นักวิทยาศาสตร์ตั้งใจที่จะดำเนินการทดลองกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อไป Lukin ไม่ได้ปฏิเสธว่าทีมของเขาจะพยายามเรียกใช้อัลกอริธึมควอนตัมที่มีชื่อเสียงของ Shor ซึ่งทำให้สามารถทำลายระบบการเข้ารหัสที่มีอยู่ส่วนใหญ่โดยใช้อัลกอริธึม RSA

จากข้อมูลของ Lukin บทความที่มีผลลัพธ์แรกของคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ในวารสารทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิรายหนึ่งแล้ว

ค่าใช้จ่ายในการดำเนินโครงการภาคสนามรัสเซียครอบคลุมบางส่วนแล้ว เงินสดจัดทำโดยมูลนิธิ Russkiy Mir

เมื่อเร็ว ๆ นี้มิคาอิลลูคินนักฟิสิกส์กลุ่มฮาร์วาร์ดสามารถสร้าง - อันที่จริงแล้วรูปร่างหน้าตาของสสารที่ไม่ได้ประกอบด้วยอะตอม แต่เป็นควอนตัมเบา นี้ การค้นพบพื้นฐาน, - ก่อนหน้านี้พวกเขาพูดถึงความเป็นไปได้ของสสารโฟโตนิกในทางทฤษฎีเท่านั้น - มีความสัมพันธ์โดยตรง การประยุกต์ใช้จริง: จากการโต้ตอบโฟตอน คุณสามารถสร้างตรรกะการคำนวณสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ แม้ว่านี่จะเป็นเรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น แต่กลุ่มของ Lukin กำลังทำงานเพื่อสร้างอุปกรณ์สื่อสารสำหรับระบบการสื่อสารที่ปลอดภัยอย่างยิ่ง

มิคาอิล ลูกิน เป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด และเป็นหัวหน้าพาร์ทไทม์ของสภาที่ปรึกษานานาชาติของ Russian Quantum Center เขาเป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์ที่ถูกอ้างถึงมากที่สุด ต้นกำเนิดของรัสเซีย- กลุ่มของเขาไม่เพียงแต่มีส่วนร่วมในการวิจัยขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับโฟโตนิกส์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการวิจัยด้วย การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี- และไม่เพียงแต่ในด้านการสื่อสารควอนตัมหรือคอมพิวเตอร์ควอนตัมเท่านั้น แต่ยังนำไปใช้กับการแพทย์ด้วย ฤดูร้อนนี้ กลุ่มของ Lukin ได้สร้างเพชรที่สามารถใช้เพื่อฆ่าเซลล์มะเร็งแบบเลือกและควบคุมได้ Lenta.ru พูดคุยกับนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับวิธีที่การค้นพบครั้งใหม่สามารถนำควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่เต็มเปี่ยมเข้ามาใกล้มากขึ้น ฟิสิกส์พื้นฐานสามารถเปลี่ยนเป็นสตาร์ทอัพทางการแพทย์ได้อย่างง่ายดายเพียงใด และสิ่งที่เขาทำเพื่อ Skolkovo ในขณะที่ทำงานในบอสตัน

Lenta.ru: บทความสุดท้ายของคุณพูดถึงการสร้างสสารโฟโตนิก มันคืออะไร?

ให้ฉันลองอธิบาย ตัวอย่างง่ายๆ- ลองนึกภาพลำแสงเลเซอร์สองลำที่คุณพาดผ่านกัน โฟตอนของลำแสงเหล่านี้ไม่มีปฏิกิริยาโต้ตอบใดๆ ทั้งสิ้น พวกมันผ่านกันและกันโดยไม่กระทบต่อกันแต่อย่างใด เหมือนคลื่นสองลูกบนพื้นผิวทะเลสาบ สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าควอนตัมแสงหรือโฟตอนแต่ละตัวเป็นอนุภาคที่ไม่มีอันตรกิริยาโดยพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม หากคุณข้ามลำแสงเลเซอร์เดียวกันโดยไม่ได้อยู่ในสุญญากาศ แต่อยู่ในตัวกลางบางชนิด เช่น ในแก้ว สถานการณ์จะเปลี่ยนไป แสงจากลำแสงที่แตกต่างกันจะเริ่มโต้ตอบ: รังสีจะเบนเบนซึ่งกันและกันเล็กน้อย หรือความเร็วในลำแสงหนึ่งจะเปลี่ยนไปตามความเข้มของอีกลำแสง

ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? ความจริงก็คือแสงเองเปลี่ยนสภาพแวดล้อมที่มันแพร่กระจาย มักจะอ่อนแอมาก แต่ก็สร้างความแตกต่าง ตัวกลางที่ถูกเปลี่ยนแปลงนำรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างกัน - และโฟตอนโต้ตอบผ่านตัวกลาง

ทั้งหมดนี้ทราบมาระยะหนึ่งแล้ว สาขาวิชาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวมีมาเกือบครึ่งศตวรรษแล้ว และเรียกว่าทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้น อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์โซเวียตได้มีส่วนช่วยอย่างมากในเรื่องนี้ อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครสามารถบังคับให้ควอนตัมแสงแต่ละอันมีปฏิกิริยาโต้ตอบได้ แทนที่จะใช้ลำแสงเลเซอร์

โดยหลักการแล้ว ตามทฤษฎีแล้ว หลายคนเคยคิดเรื่องนี้มาก่อน ประมาณ 20-30 ปีที่แล้ว มีการพยากรณ์ทางทฤษฎีว่าตัวกลางในการแพร่กระจายแสงชนิดใดที่จำเป็นต้องสร้างขึ้นเพื่อบังคับให้โฟตอนที่อยู่ภายในมีปฏิสัมพันธ์กัน ทำนายความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของวัตถุแปลกใหม่ เช่น คู่โฟตอน ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือโมเลกุลโฟตอน ในบทความนี้ใน ธรรมชาติที่คุณกำลังพูดถึง เราได้อธิบายว่าในที่สุดเราก็จัดการเพื่อให้ได้คู่ดังกล่าวมาได้อย่างไร ในความเป็นจริงพวกมันถูกเรียกว่าสสารโทนิค - เนื่องจากพวกมันมีลักษณะคล้ายกับโมเลกุลอย่างมาก แต่ไม่ประกอบด้วยอะตอม แต่เป็นโฟตอน

ควรเพิ่มที่นี่ว่าการศึกษาโฟตอนที่โต้ตอบนั้นน่าสนใจไม่เพียงแต่ในตัวมันเองเท่านั้น มีการใช้งานจริงโดยตรงใน เทคโนโลยีสารสนเทศในด้านการสื่อสาร นี่คือสิ่งที่ ในแง่หนึ่ง ความจริงที่ว่าโฟตอนมักจะไม่มีปฏิกิริยาโต้ตอบกันถือเป็นข้อได้เปรียบอย่างมากในฐานะผู้ให้บริการข้อมูล แต่ในทางกลับกันหากเราต้องการประมวลผลข้อมูลที่ส่งผ่านแสงด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งก็จำเป็นต้องทำสวิตช์บางตัว ประตูลอจิก- และด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นที่โฟตอนจะมีปฏิกิริยาต่อกัน ปัจจุบันแสงส่วนใหญ่จะใช้เพื่อส่งข้อมูลเท่านั้น และเพื่อจัดการแสงนั้นจะต้องถูกแปลเป็นสัญญาณไฟฟ้าบางประเภท มันไม่สะดวก ช้า และไม่มีประสิทธิภาพ ดังนั้นถ้าเราให้โฟตอนโต้ตอบกัน เราก็สามารถสร้างอุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลโฟตอนทั้งหมดได้

สภาพแวดล้อมที่มีสสารโฟตอนเป็นอย่างไร?

ในการจัดวางของเรา ประกอบด้วยอะตอมของรูบิเดียมที่ถูกทำให้เย็นลง ก่อตัวเป็นก๊าซอะตอมที่มีความหนาแน่นพอสมควร ในสภาพแวดล้อมเช่นนี้ แสงเดินทางได้ช้ามาก นั่นคือเมื่อเปรียบเทียบกับสุญญากาศ ความเร็วของแสงที่ลดลงในตัวกลางใด ๆ เป็นสิ่งที่เข้าใจได้ แต่ใน ในกรณีนี้โฟตอนเกือบจะหยุด - ความเร็วประมาณหนึ่งร้อยเมตรต่อวินาที เราเผยแพร่วิธีการ "หยุดแสง" ดังกล่าวในปี 2544 (Lenta.ru เกี่ยวกับงานนี้)

รูปภาพ: Ofer Firstenberg และคณะ, ธรรมชาติ, 2013

การแพร่กระจายในตัวกลางดังกล่าว โฟตอนดูเหมือนจะลากร่องรอยของการกระตุ้นของอะตอมไปข้างหลัง ด้วยเหตุนี้แสงจึงช้าลง แต่สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคืออะตอมในตัวกลางนี้เริ่มมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันอย่างรุนแรงจนปฏิกิริยาเหล่านี้ถูกถ่ายโอนไปยังโฟตอน และพวกมันซึ่งเป็นโฟตอนดูเหมือนจะเริ่มถูกดึงดูดซึ่งกันและกัน เป็นผลให้โฟตอนได้รับมวลที่มีประสิทธิผลอย่างแรกและประการที่สองเนื่องจากการดึงดูดซึ่งกันและกันพวกมันจึงสร้างสถานะที่เชื่อมต่อกันซึ่งมีลักษณะคล้ายกับโมเลกุล กฎที่อธิบายพฤติกรรมของโฟตอนในตัวกลางนั้นคล้ายคลึงกับกฎที่อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคที่มีมวลอะตอมขนาดใหญ่มาก

โมเลกุลโฟโตนิกที่เราจัดการเพื่อให้ได้มานั้นเป็นเพียงจุดเริ่มต้น เพราะโดยหลักการแล้ว วัตถุเหล่านั้นสามารถสร้างวัตถุที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ ก่อนอื่นตอนนี้เราสนใจอะนาล็อกของโครงสร้างคริสตัลคริสตัลโฟโตนิก

คุณหมายถึงสสารโทนิคที่มีโฟตอนไม่ใช่สองตัว แต่มีมากกว่านั้นใช่ไหม

ไม่เพียงแต่มากขึ้น แต่เป็นระยะสม่ำเสมอ เพื่อให้ได้สภาวะเช่นนี้ โฟตอนจะต้องผลักไสแทนที่จะดึงดูด โดยหลักการแล้ว เรารู้วิธีที่จะบรรลุเป้าหมายนี้ และฉันคิดว่าคริสตัลขนาดเล็กสามารถเกิดขึ้นได้อย่างแน่นอนในอนาคตอันใกล้นี้

เท่าที่ฉันเข้าใจ โฟตอนคู่ที่คุณได้รับนั้นค่อนข้างเสถียร นั่นคือพวกมันไม่สามารถหยุดได้เช่นเดียวกับโฟตอนใด ๆ พวกมันจะต้องเคลื่อนที่ในตัวกลาง แต่พวกมันมีอยู่เป็นคู่ ๆ เป็นเวลานานไม่ยุบอย่ากลายเป็นโฟตอนที่พลังงานที่เพิ่มขึ้นหนึ่งโฟตอน ในกรณีนี้อย่างที่คุณพูดในสื่อกลางระหว่างพวกเขามีเพียงพลังที่น่าดึงดูดเท่านั้นที่เกิดขึ้นโดยไม่มีการผลักไส ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

ประเด็นก็คือว่านี่คือระบบควอนตัม รำลึกถึงแบบจำลองอะตอมของ Bohr ซึ่งฉลองครบรอบหนึ่งร้อยปีในปีนี้ ท้ายที่สุดแล้ว อะตอมธรรมดาก็มีนิวเคลียสที่มีประจุบวก มีอิเล็กตรอน และไม่มีแรงผลักกันระหว่างพวกมัน มีเพียงแรงดึงดูดเท่านั้น อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนจะไม่ตกเข้าสู่นิวเคลียสอย่างที่เรารู้

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการหาปริมาณพลังงานซึ่งช่วยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสได้โดยไม่ยุบตัว เรื่องเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับโฟตอนของเราทุกประการ โดยพื้นฐานแล้ว มีเพียงแรงดึงดูดระหว่างพวกมัน แต่เนื่องจากเป็นระบบควอนตัม จึงไม่พังทลายลง จึงอยู่ในสถานะเสถียร สถานการณ์นี้คล้ายกันมากกับสถานการณ์ในโมเลกุลที่มีสองอะตอม นั่นคือชื่อ "โฟโตนิกสสาร" สำหรับอนุภาคคู่นี้มีความสมเหตุสมผลมาก - การเปรียบเทียบที่นี่ค่อนข้างลึกซึ้ง

ในประเด็นเดียวกัน ธรรมชาติที่บทความของคุณปรากฏผลงานของ Fukuhara ได้รับการตีพิมพ์ซึ่งไม่ได้แสดงให้เห็นถึงเอฟเฟกต์การจับคู่ที่คล้ายกันกับโฟตอน แต่บนแมกนอน - อนุภาคแม่เหล็กเสมือน

ใช่ สิ่งนี้ทำโดยกลุ่มของเอ็มมานูเอล โบลช ที่สถาบันมักซ์พลังค์ นี่เป็นเรื่องบังเอิญที่ไม่ธรรมดาจริงๆ เพราะระบบที่เราทำงานอยู่นั้นแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่ผลลัพธ์ที่เราเห็นนั้นคล้ายคลึงกันอย่างน่าทึ่ง

กลุ่มของโบลชทำงานร่วมกับอะตอมที่ติดอยู่กับกับดักแสง นี่เป็นระบบที่รู้จักกันดีพอสมควร ซึ่งการใช้เลเซอร์หลายตัวทำให้สามารถสร้างโครงข่ายเชิงแสงซึ่งมีอะตอมนั่งอยู่ในรูที่มีศักยภาพ เรียกได้ว่าเหมือนกับไข่ในกล่อง ในสถานะเริ่มต้น อะตอมเหล่านี้ทั้งหมดมีการหมุนเท่ากัน กล่าวคือ โพลาไรซ์แม่เหล็กของพวกมันมุ่งไปในทิศทางเดียว ด้วยการเปิดเผยตัวกลางนี้สู่แสง โบลชและเพื่อนร่วมงานของเขาทำให้มั่นใจได้ว่าอะตอมคู่หนึ่งเปลี่ยนการหมุนของพวกมันไปเป็นอะตอมที่อยู่ตรงข้าม จากนั้นการผกผันนี้ก็เริ่มแพร่กระจายไปตามโครงตาข่ายในรูปแบบคลื่น

ในกรณีนี้ อนุภาคที่ถูกผูกไว้คู่หนึ่งก็ปรากฏขึ้น เฉพาะในกรณีที่เป็นอนุภาคแมกนอน ไม่ใช่โฟตอน ตามหลักการแล้ว ข้อเท็จจริงที่ว่าแมกนอนสามารถดำรงอยู่ในสถานะที่ถูกผูกไว้ได้ แต่เป็นครั้งแรกที่กลุ่มของโบลชสามารถติดตามการกระจายตัวของอนุภาคที่ถูกยึดเหนี่ยวเหล่านี้ในตัวกลางได้ ฟังก์ชันคลื่นของสถานะที่ถูกผูกมัดของอนุภาคนั้นคล้ายคลึงกับสิ่งที่เราเห็นจากโฟตอนมาก ปรากฎว่านี่เป็นเอฟเฟกต์ที่ค่อนข้างเป็นสากล

ฉันกับเอ็มมานูเอลเพิ่งพบกันที่การประชุมใหญ่ เมื่อรับประทานอาหารเช้า เมื่อฉันแสดงข้อมูลของฉันให้เขาดู สถานการณ์ค่อนข้างตลกเกิดขึ้น ข้อมูลของเรากลับกลายเป็นว่าคล้ายกันมากภายใต้กระบวนการทางกายภาพที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง สิ่งที่ฉันทำได้คือพูดว่า "ว้าว"

ใช่ แต่แมกนอนคู่ซึ่งต่างจากโฟโตนิกจะสะดวกในการใช้ในการสื่อสารน้อยกว่ามาก โปรดบอกเราว่าโฟตอนสามารถทำอะไรได้บ้างในทางปฏิบัติ

เป้าหมายที่ใช้ในงานของเราคือการสร้างตรรกะโฟโตนิก ในระบบที่โฟตอนแต่ละตัวสามารถโต้ตอบกัน เราสามารถสร้างสวิตช์โฟตอนเดี่ยวหรือทรานซิสเตอร์โฟตอนเดี่ยวได้ หนึ่งในความท้าทายที่เฉพาะเจาะจงคือการเข้าใกล้การสร้างเครื่องทวนควอนตัมซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้สามารถส่งข้อมูลควอนตัมได้โดยไม่ทำลายธรรมชาติของควอนตัม

ตัวทวนควอนตัมคืออะไร? แน่นอนว่าคุณรู้เกี่ยวกับ ซึ่งข้อมูลถูกส่งโดยใช้โฟตอนเดี่ยวในการซ้อนทับของสองสถานะ ตามทฤษฎีแล้ว การส่งคีย์โดยใช้โฟตอนเดี่ยวนั้นทำได้อย่างแน่นอน เทคโนโลยีที่เชื่อถือได้การเข้ารหัส เนื่องจากผู้โจมตีพยายามแทรกแซงระบบและสกัดกั้นข้อความใด ๆ จะเห็นได้ชัดเจน อันที่จริงนี่คือสิ่งที่ทำให้การเข้ารหัสควอนตัมน่าสนใจ อย่างไรก็ตาม มีการสูญเสียในช่องสัญญาณใดๆ ดังนั้นการสื่อสารควอนตัมในปัจจุบันจึงจำกัดอยู่ที่ระยะทางที่โฟตอนส่วนใหญ่ไม่สูญหาย ซึ่งเป็นระยะทางหลายสิบหรือไกลสุดหลายร้อยกิโลเมตร

โดยหลักการแล้วปัญหาการสูญเสียก็มีอยู่ในการสื่อสารแบบคลาสสิก แต่ได้รับการแก้ไขด้วยความช่วยเหลือของทวนสัญญาณทั่วไปซึ่งรับสัญญาณ "ทำความสะอาด" เล็กน้อยทำซ้ำในรูปแบบขยายแล้วส่งต่อไปตามเครือข่ายออปติก . สำหรับการสื่อสารควอนตัม จำเป็นต้องมีแอนะล็อกของอุปกรณ์ดังกล่าว แต่ปัญหาคือว่า ถ้าคุณส่งข้อมูลที่เข้ารหัสในโฟตอนเดียว คุณจะไม่สามารถ "ขยาย" มันได้ ( ตัวอย่างทั่วไปคือการตรวจหาโฟตอนที่มีโพลาไรเซชันที่ไม่รู้จัก หากพื้นฐานการวัดไม่ตรงกับพื้นฐานโพลาไรเซชันของโฟตอน ข้อมูลก็จะสูญหายไป - ประมาณ 10 นาที "เทป.รู").

ตัวทวนควอนตัมจะต้องสามารถทำสองสิ่งพื้นฐานได้ ประการแรก จะต้องสามารถจัดเก็บข้อมูลควอนตัมที่ส่งผ่านโฟตอนได้ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เราได้ทำสิ่งที่เรียกว่า "การหยุดแสง" จริงๆ อันที่จริงนี่คือแรงจูงใจในทางปฏิบัติสำหรับงานของเรา - เราพยายามหยุดแรงกระตุ้นโดยบันทึกข้อมูลในการกระตุ้นด้วยอะตอม

ประการที่สอง ในการสร้างทวนสัญญาณนี้ คุณต้องเรียนรู้วิธีสร้างสวิตช์แบบลอจิคัลสำหรับโฟตอน ลอจิกโฟตอน และการทดลองเหล่านั้นที่ได้รับการตีพิมพ์แล้วนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับการสร้างตรรกะดังกล่าวสำหรับตัวทำซ้ำควอนตัม

โฟตอนจับคู่ qubit ในคอมพิวเตอร์เครื่องนี้หรือไม่

ไม่ คิวบิตเป็นโฟตอนเดี่ยวๆ และตรรกะจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของการเชื่อมต่อและการแยกออกเป็นโมเลกุลโฟโตนิก เนื่องจากเราสามารถจับคู่โฟตอนได้ เราจึงจินตนาการถึงวิธีสร้างสวิตช์ โดยที่โฟตอนตัวหนึ่งมีอยู่สามารถหยุดการแพร่กระจายของโฟตอนอีกตัวหนึ่งได้ คุณสามารถสร้างตรรกะการคำนวณเกี่ยวกับสิ่งนี้ได้แล้ว

แน่นอนว่ามีงานต้องทำมากมายที่นี่ ในการสร้างสวิตช์ เราต้องปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนหลายครั้ง แต่เราได้แสดงให้เห็นหลักการพื้นฐานแล้วและได้ผล ตอนนี้เราสามารถคิดในแง่ปฏิบัติได้มากขึ้น ในความเป็นจริง ในการทดลองอิสระ เราได้ปรับปรุงคุณภาพการโต้ตอบ (ประสิทธิภาพ) ที่ได้รับจากการทดลองที่เผยแพร่แล้วอย่างมากแล้ว

เราหวังว่าการใช้สสารโฟโตนิกจะไม่จำกัดอยู่เพียงตัวทำซ้ำควอนตัม ในอนาคตบนพื้นฐานของพวกเขาจะสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเต็มรูปแบบที่ทำการคำนวณได้ นี่ยังคงเป็นขอบฟ้าที่ห่างไกลมากเพราะด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องสร้างคิวบิตเป็นร้อยหรืออาจเป็นพัน และตัวทวนควอนตัมคือเป้าหมายเชิงปฏิบัติในปัจจุบันที่จับต้องได้และเป็นรูปธรรมของเรา

คุณไม่ได้แค่ต้องจัดการกับเรื่องโฟโตนิกเท่านั้น ในเดือนสิงหาคม เราได้พูดคุยเกี่ยวกับวิธีที่กลุ่มของคุณเกิดการใช้เพชรที่มีไนโตรเจนว่างโดยไม่คาดคิด โดยปกติแล้วจะใช้เป็นคิวบิต แต่คุณสร้างเทอร์โมมิเตอร์จากพวกมันไม่ใช่แม้แต่เซลล์ แต่ใช้จากแต่ละส่วนของพวกมัน ความคิดนี้มาจากไหน?

ปัจจุบันมีการใช้ระบบที่หลากหลายเป็นพาหะของคิวบิต สิ่งเหล่านี้อาจเป็น ตัวอย่างเช่น ตัวสะท้อนตัวนำยิ่งยวดที่เย็นลง ไอออนแต่ละตัว หรืออะตอมที่ถูกทำให้เย็นลงในกับดักแสง หรือในกรณีของงานนี้ อิเล็กตรอนในศูนย์ NV ที่เรียกว่า ในทางกายภาพ ศูนย์ NV เป็นเพียงช่องโหว่เท่านั้น ตาข่ายคริสตัลเพชรที่มีอยู่ถัดจากสิ่งเจือปน - อะตอมไนโตรเจน สิ่งเจือปนเหล่านี้ก็มีอยู่ในเพชรธรรมดาเช่นกัน แต่เราก็สามารถสร้างมันขึ้นมาได้โดยใช้การฉายรังสี เช่น ด้วยอะตอมไนโตรเจน นอกจากนี้ ศูนย์เหล่านี้ยังสามารถสร้างเป็นอนุภาคขนาดเล็กมาก ซึ่งก็คือเพชรนาโนคริสตัล

อิเล็กตรอนของศูนย์กลาง NV (หากตั้งอยู่ใกล้กับพื้นผิว) จะมีความไวต่อมาก สภาพแวดล้อมภายนอกไปจนถึงอุณหภูมิและสนามแม่เหล็ก พูดโดยคร่าวๆ อัตราการวิวัฒนาการควอนตัมขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์เหล่านี้ ในอีกด้านหนึ่งนี่เป็นปัญหาสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม - สถานะของระบบจะเปราะบางและยากที่จะรักษาไว้ในควิบิตดังกล่าว แต่ในทางกลับกัน ศูนย์ NV ดังกล่าวสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ที่มีความไวสูงมากได้

สิ่งที่ทำให้พวกมันมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวก็คือพวกมันอาจมีขนาดเล็กมากได้ ซึ่งหมายความว่าเราสามารถวัดสนามแม่เหล็กและอุณหภูมิในปริมาณที่น้อยมากได้ โดยธรรมชาติแล้ว เราพยายามใช้นาโนคริสตัลดังกล่าวสำหรับการใช้งานที่มีขนาดจุลทรรศน์เป็นข้อได้เปรียบ ตัวอย่างเช่น สเปกโทรสโกปีของชีวโมเลกุลเชิงซ้อนที่ อุณหภูมิห้องหรือวัดอุณหภูมิของแต่ละส่วนของเซลล์ ในบทความนั้น เราได้ศึกษาความเป็นไปได้ของการใช้ศูนย์ Diamond NV โดยเฉพาะเป็นเทอร์โมมิเตอร์แบบจุลทรรศน์

ผลึกนาโนดังกล่าวไม่เพียงแต่เป็นเครื่องมือใหม่สำหรับนักชีววิทยาเท่านั้น นอกจากนี้ยังอาจเป็นวิธีการควบคุมการทำลายเซลล์มะเร็งอีกด้วย และในแง่นี้ เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่าการวิจัยขั้นพื้นฐานโดยสมบูรณ์ เช่น “การวิจัยท้องฟ้าสีฟ้า” สามารถนำไปสู่การพัฒนาการใช้งานจริงได้อย่างไร มีบริษัทสตาร์ทอัพสองสามแห่งที่กำลังพยายามนำเทคนิคนี้ไปใช้ในเชิงพาณิชย์

สิ่งเหล่านี้คือสตาร์ทอัพของคุณหรือไม่?

หนึ่งในนั้นสร้างโดยอดีตนักศึกษาปริญญาเอกของฉัน ส่วนคนที่สองสร้างโดยอดีตนักเรียนของฉัน ฉันเกี่ยวข้องกับพวกเขาในฐานะที่ปรึกษาภายนอกเท่านั้น นั่นคือฉันรู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นที่นั่น เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นที่ได้เห็นว่าการวิจัยกลายเป็นแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริงได้อย่างไร

คุณเป็นหัวหน้าคณะกรรมการที่ปรึกษาทางวิทยาศาสตร์ของ Russian Quantum Center ในเมือง Skolkovo แต่คุณเองไม่ได้ทำงานในรัสเซีย แม้ว่าเพื่อนร่วมงานของคุณหลายคนจะย้ายมาที่นี่แล้วก็ตาม สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?

ในความเป็นจริง เมื่อ Skolkovo ถูกสร้างขึ้น พวกเขาพยายามเสนอให้ฉันสร้างห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ในมอสโก แต่ฉันไม่ใช่ผู้สนับสนุนการสร้างอาณาจักรขนาดใหญ่เลย สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่าเมื่อมีกลุ่มใหญ่ที่มีคนหลายร้อยคนทำงาน ผู้นำก็ไม่สามารถมีส่วนร่วมในวิทยาศาสตร์ได้อีกต่อไป เขาจะต้องเป็นผู้จัดการก่อน และในความทรงจำของฉันมันไม่เคยจบลงด้วยสิ่งดีๆ

จุดยืนของฉันคือหากมีศูนย์ที่กระตือรือร้นในมอสโกซึ่งนักวิทยาศาสตร์ที่ดีจะทำงานด้วยแนวคิดของพวกเขาเองและกลุ่มของพวกเขาเอง ฉันก็จะมีความสุขที่ได้โต้ตอบและร่วมมือกับพวกเขา ฉันไม่ต้องการสร้างห้องทดลองของตัวเองในมอสโก แต่ฉันบอกว่าฉันสามารถช่วยสร้าง RCC ได้ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสัญญาว่าจะช่วยค้นหา คนดีซึ่งสามารถสร้างห้องปฏิบัติการได้ แนะนำว่าสามารถจัดระเบียบสิ่งต่าง ๆ ได้อย่างไร

สิ่งที่สร้างขึ้นในเวลาไม่ถึงสองปี สิ่งที่ผมเห็นในฤดูร้อนนี้ น่าประทับใจอยู่แล้ว มีกลุ่มทฤษฎีและกลุ่มทดลองหลายกลุ่มที่เริ่มทำการทดลองอย่างจริงจังแล้ว ในช่วงฤดูร้อน เราได้ตีพิมพ์บทความร่วมกับกลุ่มของ Alexey Akimov ในฤดูร้อน ศาสตร์.

เราคุยกับเขาเกี่ยวกับสิ่งพิมพ์นี้ ตอนนี้เขาทำงานใน Skolkovo แต่การติดตั้งซึ่งอันที่จริงแล้วบทความนี้ถูกสร้างขึ้นนั้นประกอบขึ้นในอเมริกา

นั่นเป็นเรื่องจริง อย่างไรก็ตาม ขณะนี้มีชีวิตทางวิทยาศาสตร์อยู่บ้างแล้วที่นี่ ผลงานที่น่าสนใจ- ฉันหมายถึงกลุ่มของ Akimov, Kalachevsky, Lvovsky, Zheltikov และ Ustinov (“ Lenta.ru” เขียนเกี่ยวกับการสร้างกลุ่มหลังในห้องปฏิบัติการ)

ฉันใช้เวลาและความพยายามค่อนข้างมากในการพยายามช่วยให้ทุกอย่างทำงานได้อย่างถูกต้อง ตอนนี้ คำถามหลักสิ่งที่ทำให้ฉันกังวลคือคำถามว่าอนาคตที่รอคอยศูนย์ควอนตัมและโครงการที่คล้ายกันโดยทั่วไปคืออะไร คำถามนี้สำคัญเพราะว่า...

เพราะคนอยากวางแผนชีวิต...

ไม่เพียงเท่านั้น ความจริงก็คือ Quantum Center เพียงอย่างเดียวไม่สามารถแก้ปัญหาทั้งหมดได้ จะต้องมีสถาบันหรือศูนย์ดังกล่าวอย่างน้อยบางกลุ่ม อย่างน้อยพวกเขาจะต้องมีมุมมองระยะยาว - นี่เป็นวิธีเดียวที่จะสร้างสภาพแวดล้อมทางวิทยาศาสตร์ที่แท้จริง

โดยส่วนตัวแล้ว สิ่งที่ทำให้ฉันประหลาดใจที่สุดเกี่ยวกับเรื่องราวนี้คือจำนวนนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของโลกตกลงที่จะช่วยสร้างศูนย์แห่งนี้ และพวกเขาช่วยและช่วยเหลือโดยไม่มีค่าใช้จ่าย สำหรับความเป็นจริงของรัสเซีย เท่าที่ฉันเข้าใจ นี่เป็นกรณีพิเศษ บางทีนั่นอาจเป็นเหตุผลว่าทำไมมันถึงกลายเป็นสิ่งที่ดี

มอสโก 14 กรกฎาคม- อาร์ไอเอ โนโวสตินักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและอเมริกันที่ทำงานที่ Harvard ได้สร้างและทดสอบคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกของโลก ซึ่งประกอบด้วย 51 คิวบิต มิคาอิล ลูกิน ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและผู้ร่วมก่อตั้ง Russian Quantum Center (RCC) กล่าวว่าอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นระบบคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนที่สุดในประเภทเดียวกัน

นักฟิสิกส์รายนี้ได้ประกาศสิ่งนี้ขณะรายงานในการประชุมนานาชาติเรื่องเทคโนโลยีควอนตัม ICQT-2017 ซึ่งจัดขึ้นภายใต้การอุปถัมภ์ของ RQC ในมอสโก ความสำเร็จนี้ทำให้กลุ่มของ Lukin กลายเป็นผู้นำในการแข่งขันเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเต็มรูปแบบ ซึ่งเกิดขึ้นอย่างไม่เป็นทางการเป็นเวลาหลายปีระหว่างกลุ่มนักฟิสิกส์ชั้นนำหลายกลุ่มในโลก

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นอุปกรณ์คอมพิวเตอร์พิเศษที่มีพลังเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณโดยใช้กฎของกลศาสตร์ควอนตัมในการทำงาน อุปกรณ์ดังกล่าวทั้งหมดประกอบด้วย qubits - เซลล์หน่วยความจำและในเวลาเดียวกันโมดูลการคำนวณดั้งเดิมที่สามารถจัดเก็บสเปกตรัมของค่าระหว่างศูนย์ถึงหนึ่ง

วันนี้มีสองแนวทางหลักในการพัฒนาอุปกรณ์ดังกล่าว - แบบคลาสสิกและแบบอะเดียแบติก ผู้เสนอกลุ่มแรกกำลังพยายามสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากล ซึ่งคิวบิตจะเป็นไปตามกฎเดียวกันกับที่อุปกรณ์ดิจิทัลทั่วไปทำงาน การทำงานกับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ดังกล่าวคงไม่แตกต่างไปจากวิธีที่วิศวกรและโปรแกรมเมอร์ใช้งานคอมพิวเตอร์ทั่วไปมากนัก คอมพิวเตอร์อะเดียแบติกนั้นสร้างได้ง่ายกว่า แต่หลักการทำงานของคอมพิวเตอร์นั้นใกล้เคียงกับคอมพิวเตอร์แอนะล็อกในต้นศตวรรษที่ 20 มากกว่ามากกว่าอุปกรณ์ดิจิทัลสมัยใหม่

เมื่อปีที่แล้ว ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายทีมจากสหรัฐอเมริกา ออสเตรเลีย และหลายประเทศในยุโรปประกาศว่าพวกเขาใกล้จะสร้างเครื่องจักรดังกล่าวแล้ว ผู้นำในการแข่งขันแบบไม่เป็นทางการนี้ถือเป็นทีมของ John Martinis จาก Google ซึ่งกำลังพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลรุ่น "ไฮบริด" ที่ไม่ธรรมดา โดยผสมผสานองค์ประกอบของแนวทางแอนะล็อกและดิจิทัลในการคำนวณดังกล่าว

Lukin และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ RCC และ Harvard เลี่ยงกลุ่มของ Martinis ซึ่งดังที่ Martinis บอกกับ RIA Novosti ว่าขณะนี้กำลังทำงานเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ 22 คิวบิตโดยใช้ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์จาก Google แต่เป็น "อะตอมเย็น" ที่แปลกใหม่

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและอเมริกันได้ค้นพบ ชุดของอะตอมที่เก็บไว้ใน "กรง" เลเซอร์แบบพิเศษและถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมากสามารถใช้เป็นคิวบิตสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ เพื่อรักษาการทำงานที่เสถียรภายใต้เงื่อนไขที่หลากหลาย สิ่งนี้ทำให้นักฟิสิกส์สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใหญ่ที่สุดซึ่งประกอบด้วย 51 คิวบิต

ด้วยการใช้ชุดคิวบิตที่คล้ายกัน ทีมงานของ Lukin ได้แก้ไขปัญหาทางกายภาพหลายประการที่ยากมากในการจำลองโดยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ "คลาสสิก" ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและชาวอเมริกันสามารถคำนวณได้ว่ากลุ่มเมฆขนาดใหญ่ของอนุภาคที่เชื่อมต่อถึงกันมีพฤติกรรมอย่างไร และค้นพบผลกระทบที่ไม่ทราบมาก่อนเกิดขึ้นภายในนั้น ปรากฎว่าเมื่อแรงกระตุ้นในระบบสลายไป การสั่นบางประเภทสามารถคงอยู่และคงไว้ได้แทบไม่สิ้นสุด ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ไม่เคยสงสัยมาก่อน

เพื่อตรวจสอบผลลัพธ์ของการคำนวณเหล่านี้ Lukin และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องพัฒนาอัลกอริธึมพิเศษที่ทำให้สามารถคำนวณที่คล้ายกันในรูปแบบที่หยาบมากบนคอมพิวเตอร์ธรรมดาได้ โดยทั่วไปผลลัพธ์มีความสอดคล้องกัน โดยยืนยันว่าระบบ 51 ควิบิตของนักวิทยาศาสตร์ของฮาร์วาร์ดใช้งานได้จริง

ในอนาคตอันใกล้นี้ นักวิทยาศาสตร์ตั้งใจที่จะดำเนินการทดลองกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อไป Lukin ไม่ได้ปฏิเสธว่าทีมของเขาจะพยายามเรียกใช้อัลกอริธึมควอนตัมที่มีชื่อเสียงของ Shor ซึ่งทำให้สามารถทำลายระบบการเข้ารหัสที่มีอยู่ส่วนใหญ่โดยใช้อัลกอริธึม RSA จากข้อมูลของ Lukin บทความที่มีผลลัพธ์แรกของคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ในวารสารทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิรายหนึ่งแล้ว

ในเช้าวันศุกร์ที่ 14 กรกฎาคม ที่การประชุมนานาชาติเกี่ยวกับเทคโนโลยีควอนตัม มิคาอิล ลูกิน ผู้ร่วมก่อตั้ง Russian Quantum Center และศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด กล่าวถึงการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม 51 คิวบิตที่ตั้งโปรแกรมได้เต็มรูปแบบโดยกลุ่มวิจัยของเขา เมื่อมองแวบแรก ผลลัพธ์นี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นการพัฒนาอย่างกะทันหันในพื้นที่นี้ บริษัทยักษ์ใหญ่อย่าง Google และ IBM กำลังเข้าใกล้เครื่องหมาย 50 คิวบิตในคอมพิวเตอร์ควอนตัมเท่านั้น เมื่อวานนี้เอง ข้อมูลดังกล่าวปรากฏบนเซิร์ฟเวอร์ก่อนการพิมพ์ของ arXiv.org คำอธิบายโดยละเอียดการทดลอง. บทบรรณาธิการ ยังไม่มี+1ฉันตัดสินใจว่าจะเกิดอะไรขึ้นและคาดหวังอะไรจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมตัวใหม่

สั้น ๆ เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม - สากลและไม่เป็นสากล

คอมพิวเตอร์ 51 คิวบิตเป็นอย่างไร

เรามาดูระบบที่สร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์กัน งานใหม่- บทบาทของคิวบิตในนั้นเล่นโดยอะตอมรูบิเดียมเย็นที่ถูกจับในกับดักแสง ตัวกับดักนั้นเป็นแหนบแบบออปติคัลจำนวน 101 ชิ้น (ลำแสงเลเซอร์แบบโฟกัส) อะตอมถูกยึดไว้ในตำแหน่งสมดุลโดยใช้แหนบเนื่องจากการไล่ระดับของสนามไฟฟ้า - มันถูกดึงดูดไปยังบริเวณที่มีความแรงของสนามไฟฟ้าสูงสุดซึ่งอยู่ที่จุดโฟกัสของแหนบ เนื่องจากแหนบทั้งหมดเรียงกันเป็นแถว อะตอมของควิบิตทั้งหมดของคอมพิวเตอร์จึงเรียงกันเป็นลูกโซ่ด้วย

“ศูนย์” สำหรับแต่ละอะตอมของรูบิเดียมคือพื้นและสถานะไม่ตื่นเต้น “หนึ่ง” เป็นรัฐริดเบิร์กที่เตรียมไว้เป็นพิเศษ นี่เป็นสภาวะที่น่าตื่นเต้นซึ่งอิเล็กตรอนชั้นนอกของรูบิเดียมอยู่ห่างจากนิวเคลียสมาก (ในวงโคจรที่ 50, 100, 1,000) แต่ยังคงเกี่ยวข้องกับนิวเคลียสอยู่ เนื่องจากรัศมีขนาดใหญ่ อะตอมของ Rydberg จึงเริ่มโต้ตอบ (ขับไล่) ในระยะทางที่ไกลกว่าอะตอมทั่วไปมาก การผลักกันนี้ทำให้สามารถเปลี่ยนแถวอะตอมของรูบิเดียม 51 อะตอมให้กลายเป็นสายโซ่ของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรง

เพื่อควบคุมสถานะของคิวบิต มีการใช้ระบบเลเซอร์แยกต่างหาก ซึ่งสามารถกระตุ้นให้พวกมันเข้าสู่สถานะริดเบิร์ก คุณสมบัติหลักและสำคัญที่สุดของคอมพิวเตอร์เครื่องใหม่คือความสามารถในการระบุ 51 คิวบิตแต่ละตัวได้โดยตรง นอกจากนี้ยังมีกลุ่มอะตอมที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งมีการสังเกตสถานะควอนตัมที่พันกัน (เมื่อเร็ว ๆ นี้เราได้พูดคุยเกี่ยวกับอะตอม 16 ล้านอะตอมที่พันกันโดยการมีปฏิสัมพันธ์กับโฟตอนเดี่ยว) และการจำลองควอนตัมได้ดำเนินการกับอะตอมเย็นมากกว่าหนึ่งร้อยอะตอม แต่ในกรณีทั้งหมดนี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่มีทางที่จะควบคุมระบบได้อย่างแม่นยำ นั่นคือสาเหตุที่ระบบใหม่นี้เรียกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ตั้งโปรแกรมได้เต็มรูปแบบ

การคำนวณทุกครั้งบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม ในแง่หนึ่งก็คือการจำลองระบบควอนตัมจริง ส่วนหลักของงานใหม่นี้เน้นไปที่การสร้างแบบจำลองระบบควอนตัมที่รู้จักกันดี นั่นคือแบบจำลอง Ising มันอธิบายลูกโซ่ (ในกรณีนี้) ของอนุภาคที่มีการหมุนไม่เป็นศูนย์ (โมเมนต์แม่เหล็ก) ที่มีปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนบ้าน แบบจำลอง Ising มักใช้เพื่ออธิบายภาวะแม่เหล็กและการเปลี่ยนผ่านของสนามแม่เหล็กในของแข็ง

การทดลองมีโครงสร้างดังนี้ ขั้นแรก อนุภาคจะถูกทำให้เย็นลงและจับด้วยแหนบแบบออปติคัล นี่เป็นกระบวนการของความน่าจะเป็น ดังนั้นในตอนแรกอาร์เรย์ของอนุภาคจึงวุ่นวาย จากนั้นจึงใช้ลำดับการวัดและการปรับเปลี่ยนเพื่อสร้างอาร์เรย์ที่ปราศจากข้อบกพร่องของอะตอมเย็นมากกว่า 50 อะตอมในพื้นดินในสภาวะที่ไม่ได้รับการกระตุ้น ในขั้นต่อไป แหนบแบบออพติคอลถูกปิดและในเวลาเดียวกันก็เปิดระบบ ซึ่งทำให้อะตอมตื่นเต้นเข้าสู่สถานะริดเบิร์ก ในบางครั้งระบบก็พัฒนาภายใต้อิทธิพลของกองกำลัง Van der Waals - อะตอมครอบครองตำแหน่งที่ "สะดวก" ที่สุดสำหรับพวกเขาหลังจากนั้นจึงเปิดแหนบอีกครั้งและศึกษาผลลัพธ์ของวิวัฒนาการ

นักฟิสิกส์สังเกตผลลัพธ์วิวัฒนาการที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับว่าอะตอมเย็นอยู่ใกล้ชีพจรที่น่าตื่นเต้นแค่ไหน นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าอะตอมของ Rydberg สามารถระงับการกระตุ้นของเพื่อนบ้านในรัฐ Rydberg ได้ (เนื่องจากการผลักกันอย่างรุนแรง) นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตระบบที่อะตอมหลังวิวัฒนาการได้รับคำสั่งในลักษณะที่ว่าระหว่างอะตอมริดเบิร์กที่อยู่ใกล้เคียงแต่ละคู่จะมีอะตอมธรรมดาหนึ่งหรือสองหรือสามอะตอมอย่างเคร่งครัด

สิ่งที่น่าสนใจคือ การก่อตัวของโครงสร้างที่เป็นระเบียบมากหลังจากการวิวัฒนาการอย่างอิสระเกิดขึ้นโดยมีความเป็นไปได้สูงมาก แม้แต่ในกรณีของการเรียงตัวของอะตอมเย็น 51 อะตอมก็ตาม

เพื่อดูว่ากระบวนการวิวัฒนาการเกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ได้เปิดแหนบและ "ถ่ายภาพ" ระบบ ณ จุดต่างๆ กัน ปรากฎว่าในบางกรณีวิวัฒนาการไปสู่สภาวะสมดุลเกิดขึ้นช้ามาก: ระบบมีการแกว่งไปมาเป็นเวลานานระหว่างหลายรัฐ ผลลัพธ์นี้สามารถยืนยันได้ด้วยการจำลองแบบคลาสสิกแบบหยาบ ซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมข้างเคียงและอะตอมข้างเคียงที่ตามมาในการวิเคราะห์

สิ่งนี้มีประโยชน์หรือไม่?

นี่เป็นหนึ่งในกรณีที่การสร้างแบบจำลองควอนตัมทำนายผลกระทบใหม่ที่แท้จริง เป็นที่น่าสังเกตว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะจำลองระบบอะตอมเย็น 51 อะตอมอย่างแม่นยำโดยใช้คอมพิวเตอร์คลาสสิก เพื่ออธิบายสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมด จะต้องใช้ RAM 2,51 บิต (ประมาณหนึ่งเพตาไบต์) ผลกระทบนี้ได้รับการยืนยันโดยการจำลองคร่าวๆ บนคอมพิวเตอร์คลาสสิกเท่านั้น

ที่น่าสนใจคือสถานการณ์ตรงกันข้ามเกิดขึ้นในการคำนวณทางเคมีควอนตัม - คอมพิวเตอร์คลาสสิกให้ค่าประมาณคุณสมบัติโดยประมาณเท่านั้น ระบบที่ซับซ้อนที่ใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์จำนวนมหาศาลในเรื่องนี้ ในเวลาเดียวกัน การวิเคราะห์โดยตรงของระบบควอนตัมที่ไม่ต้องสงสัยเหล่านี้ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ

มีประโยชน์อะไรอีกบ้าง?

ในตอนท้ายของการพิมพ์ล่วงหน้า ผู้เขียนมักจะจัดเตรียมรายการส่วนที่อาจมีประโยชน์ไว้ การพัฒนาใหม่- เราสามารถแสดงรายการบางส่วนได้: การสร้างการซ้อนทับที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก การศึกษาสถานะทอพอโลยีในระบบสปิน นักฟิสิกส์ทราบเป็นพิเศษว่าอัลกอริทึมนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแก้ปัญหาการปรับให้เหมาะสมของระบบที่มีขนาดเกินขอบเขตของคอมพิวเตอร์ทั่วไปอย่างเห็นได้ชัด งานเหล่านี้รวมถึงการสร้างแบบจำลองปฏิกิริยาเคมีและการสอน

ระบบที่สร้างโดยมิคาอิล ลูกิน และเพื่อนร่วมงานของเขาตอนนี้ทำงานเป็นเครื่องจำลองควอนตัม โดยจำลองระบบที่คล้ายกับระบบของมันเอง อย่างไรก็ตาม เป็นที่น่าสังเกตว่าในแต่ละคู่ของอะตอม Rydberg นักฟิสิกส์สามารถสร้างประตู CNOT แบบลอจิคัลที่ใช้เพื่อสร้างสิ่งกีดขวางได้แล้ว ดังนั้นเราจึงสามารถพูดได้ว่าอัลกอริธึมง่ายๆ บางอย่างสามารถนำมาใช้ในระบบใหม่ได้ (เช่น อัลกอริธึม Deutsch หรืออัลกอริธึม Shor สำหรับตัวเลขที่น้อยมาก) อย่างไรก็ตาม ในขั้นตอนนี้ อัลกอริธึมเหล่านี้จะไม่มีประโยชน์

มิคาอิล ลูกิน (ซ้าย) และจอห์น มาร์ตินิส (ขวา) - หัวหน้าทีมพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม 49 คิวบิตที่ Google

ศูนย์ควอนตัมรัสเซีย

ในแง่หนึ่ง อุปกรณ์ใหม่นี้สามารถแก้ไขปัญหาที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกอยู่แล้ว - ไม่สามารถจำลองได้อย่างแม่นยำด้วยคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่ยังเร็วเกินไปที่จะพูดถึงความเหนือกว่าเชิงควอนตัมที่มีประโยชน์ ซึ่งจะเป็นประโยชน์ในการแก้ปัญหาที่ประยุกต์แล้ว นักวิทยาศาสตร์หลายคนตั้งข้อสังเกตว่าการแข่งขันเพื่ออำนาจสูงสุดของควอนตัมในปัจจุบันไม่ได้นำมาซึ่งประโยชน์ใด ๆ จากมุมมองของปัญหาการประมวลผลแบบประยุกต์

เป็นที่น่าสังเกตว่าการทดลองกับอะตอมในโครงข่ายแสงเมื่อหลายปีก่อนเกินขอบเขตของการสร้างแบบจำลองที่แม่นยำโดยคอมพิวเตอร์คลาสสิก พวกมันใช้อนุภาคที่เชื่อมต่อถึงกันหลายสิบอัน ตัวอย่างเช่น ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา ปรากฏการณ์สหกรณ์ควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับความเป็นของเหลวยิ่งยวดและความเป็นตัวนำยิ่งยวด นี่คืออำนาจสูงสุดของควอนตัมหรือไม่?

วลาดิเมียร์ โคโรเลฟ