Квантовый компьютер всё ещё не выходит, зато получилось много других интересных штук

Михаил Лукин — наш соотечественник и специалист по квантовой физике. В прошлом месяце он впервые за последние 20 лет читал доклад на русском языке, рассказывая в Digital October о сути своей работы.

Михаил занимается квантовыми компьютерами: пока, собственно, компьютер не получается, зато получается много других интересных практических применений среди которых высокоточные сенсоры и сверхточные часы.

Что вообще творится в квантовой физике сейчас?

Чтобы объяснить суть происходящего в этом направлении науки, стоит вспомнить историю лазера. Изначально лазер был изобретён как своеобразная научная игрушка: удивителен, но совершенно не имел практического применения. Лет десять подряд после его изобретения учёные шутили, что это ответ, который ищет свою задачу. Что было после – вы знаете: задач нашлось целое море, причём одна из самых больших – это передача данных по оптоволоконным системам, составляющим, по сути, физическую сущность Интернета.

В настоящий момент у квантовых физиков есть несколько подобных «игрушек», каждая из которых является достаточно интересной вещью с точки зрения фундаментальной науки, но пока не имеет ярко выраженного практического применения. Вот пример: сейчас нужно около 1000-2000 атомов, чтобы закодировать один бит. По закону Мура через 10 лет потребуется всего один атом для кодирования такого же объёма информации. Классическая природа отойдёт в сторонку и за дело примутся квантовые физики, которые уже с нетерпением смотрят на возможные инвестиции оценивают перспективы.

Может ли отдельный атом хранить информацию? В теории – да. Ядро и электрон вроде бы отдельные части, всё, по идее, похоже на старые принципы хранения данных на жестких дисках, но просто лежит уровнем ниже… но в квантовом мире перенос обычных процессов не работает. По сути, мы упираемся в фундаментальный предел.

Волшебное слово «невозможно»

Если хранить данные классическим образом не выходит, нужны новые механики. Именно ими занимается Михаил и группа его коллег. Понимание того, что нужны новые процессы обработки данных, открывает новые перспективы:

Электроны и ядра имеют маленький магнитный момент – спин. Можно представить, что электрон или ядро крутиться вокруг своей оси и из-за этого вращения у него появляется некая полярность, у него появляется магнитный момент. Этот магнитный момент можно рассматривать как некую магнитную память. В этом случае единичку можно закодировать в магнитик, который будет смотреть вверх, а нолик – в магнитик, который будет смотреть вниз. Вот, это самое простое свойство позволяет нам закодировать классический бит информации. Оказывается, что это магнитное свойство частиц, оно, как бы, квантовый объект. Квантовые законы описывают поведение частиц на таких маленьких размерах. Оказывается, что мы не только можем записать ноль и единичку, также мы можем записать то, что между ними, то есть мы можем записать так называемую суперпозицию (комбинацию) 0 и 1. Это можно себе представить, как магнитик, который будет повернут не наверх или вниз, а как магнитик, который повернут куда-то в сторону. Это очень важное свойство квантовых систем, которое позволяет закодировать не просто классический бит, а, так называемый, квантовый бит информации.

Если приложить законы квантовой механики, например, к столу к этому, то, в принципе, по этим законам, возможно, создать состояние этого стола такое, что он будет находиться у меня в Кембридже и одновременно в Москве в Digital October.

Упрощая, один квантовый объект (подобно кошке Шредингера) может отдавать два разных набора данных в один момент времени. Это открывает возможности не только для построения накопителей нового типа, но и позволяет использовать квантовые объекты для создания процессоров нового типа. Возможно закодировать сразу несколько возможных состояний в один бит позволяет перерабатывать информацию с очень высокой степенью распареллеливания. Эта идея квантового ускорения, которая является главной идеей в развитии квантовых компьютеров.

Главная проблема на текущий момент с квантовыми компьютерами — эти ячейки просто адски чувствительны ко внешним возбуждениям. Соответственно, пока одна группа учёных пытается как-то стабилизировать микромир, вторая группа использует эти свойства и делает сенсор нового поколения, превосходящей по чувствительности всё то, что было возможно в мире масштабов сотен и тысяч атомов.

И что со всем этим делать?

Теперь самое главное: как можно записывать информацию, считывать, каким образом перерабатывать информацию, сохраненную в отдельных атомах? Здесь используется пересечение лазерных технологий и резонансных методов (тех самых, которые используются при обследовании мозга ^[1] в больницах). Первые исследования в этой сфере начались ещё в СССР, в частности, Владленом Летоховым, идеи которого определяют развитие науки до сих пор. В частности, он был изобретателем лазерного охлаждения: он придумал как использовать лазер для движения, детектирования и охлаждения атомов. Сейчас системы, в которых отдельные ионы сохраняются в вакуумной трубке в электромагнитных ловушках — одни из наиболее вероятных платформ для реализации квантовых компьютеров.

Владлен Летохов

Уже есть относительно большие по современным меркам квантовые компьютеры (прототипы), которые имеют 4 кубита и могут производить разнообразные вычисления. Уже понятно, что на основе этих исследований можно говорить о революции в области сенсоров, появлении контролируемых квантовых материалах, сверхбыстрой передаче данных и криптосистемах нового поколения. Можно ли будет собрать квантовый компьютер в реальности? Пока учёные просто не знают ответ на этот вопрос, но попытки продолжаются уже лет 15 – и если получится не компьютер, то ответы к другим задачам — точно.

Например, квантовые сенсоры и атомные часы – это темы, которые уже сейчас разрабатываются с огромным прикладным уклоном. Например, атомные часы являются ключевым звеном и сети GPS и ГЛОНАСС. Самые точные атомные часы используют квантовые биты, которые закодированы в охлажденных ионах – аккурат такие, которые используют сейчас при создании квантового компьютера. Стоит улучшить точность на порядок – и появится возможность точной навигации, например – автотранспорта без водителей. Это пример глобальных последствий маленького научного достижения. Таких примеров сотни.

Какие есть проблемы?

Их сейчас две. Первая — экзотичность компьютеров. С увеличением размеров системы от прототипа до более-менее практически-допустимой схемы, всё становится сложнее: например, с вакуумными трубками возникает проблема одновременной изоляции и контроля, что нужно решать. Вторая проблема — это вопрос того, что делать с квантовыми компьютерами на практике: текущий уровень разработок предполагает очень серьёзную нестабильность, практически исключающую сколько-нибудь практическое применение за стенами лаборатории. Как и лазер в начале, это пока просто игрушка, которая обещает стать чем-то очень серьёзным.

Отчасти задача решается. Михаил Лукин со своей командой смог создать квантовый бит, который использует спин отдельного ядра и работает при комнатной температуре. При этом состояние сохраняетсямакроскопически долгое время (дольше 1 секунды) — по меркам квантовой физики это всё равно что сто лет. Основная идея этой работы – использовать отдельные атомы, которые вживляются в алмазные образцы.

Почему алмаз?

Во-первых, он твёрдый. Во-вторых — уникальный полупроводник с большой шириной запрещенной зоны. Алмаз также очень хороший теплопроводник. В экспериментах используется два разных типа алмаза: выращенный кубик макроскопических размеров (много таких объектов – алмазная пыль). Они получаются очень чистыми, практически без примесей. Если добавить примесь, то она может, по существу, быть сравнима с отдельным изолированным атомом, таким, каким является отдельный ион в вакуумной трубке. Здесь разница в том, что атом сохраняется в твердотельной матрице даже при комнатных температурах. Используется атом азота, который замещает атом углерода в центре матрицы. Оказывается, что энергетически выгодно иметь пустое место: это одна из немногих примесей в алмазе и она имеет свойства, очень похожие на свойства иона.

Почему? Потому что эта примесь излучает свет. Что показано тут – это чистый алмаз, в котором отдельные атомы светятся. У него тоже есть вот этот спин. Есть магнитный момент, про который я говорил уже раньше, в который можно закодировать магнитную квантовую информацию. Эти примеси можно создавать, начиная с чистого алмаза просто бомбардируя его ионами азота. Это пример такой, где сделано некое упорядочивание и образец, созданный на этом Nitrogen-Vacancy color center.

Нанокристаллы алмаза

То есть чтобы создать ядерный кубит, используется ядро из изотопов углерода. Алмазная решетка состоит из 2 изотопов углерода с атомными номерами 12 и 13. Только один из них имеет магнитный момент, только один из них имеет спин, и его можно использовать как кубит.

Выращивается образец, который состоит, практически, исключительно из изотопа с атомным весом 12, и после этого он используется чтобы измерять отдельные ядерные магнитные моменты. Лазер фокусируется его на одном из центров, затем замеряется количество испускаемого света, чтобы измерить соседние ядра. Количество света прыгает между 2 разными уровнями. Каждый из этих уровней соответствует определенной ориентации ядерного магнитного момента. Именно эта дискретность уровня света показывает, что эта система – квантовая система. Итак, у нас есть стабильная модель квантовой системы.

Одна квантовая система может жить в одном состоянии целые минуты. Для того действительно сделать эту систему кубитом, нам нужно обеспечить суперпозицию состояний. Недавние измерения показывают нам, что можно сохранять эту квантовую память на протяжении нескольких секунд. Это очень важно: обычный кубит живёт от миллионной до миллиардной доли секунды. Михаил считает, что время жизни можно будет удлинить до минут, а может быть даже до часов.

На стенде – круто, на бумаге тоже, но что дальше?

Кубитами могут быть отдельные атомы азота. В алмазе они могут взаимодействовать между собой. Михаил пытается увеличить количество кубитов, чтобы создать новый процесс. Второй вариант развития событий — разработки квантового интернета, фотоны будут использоваться для передачи информации памяти локальному процессу.

Одно из возможных приложений – это идея Стефана Бизнера, которая начала всю область квантовой информатики. В 69 году он предложил использовать квантовые биты, чтобы сделать, так называемые квантовые деньги. Идея квантовых денег заключается в следующем: если закодировать информацию в квантовом виде, её невозможно скопировать, но измерив правильным образом, можно подтвердить ее достоверность.

Как работают квантовые деньги?

У вас есть банкнота, и в этой банкноте есть несколько квантовых бит. Если кто-то захочет скопировать эту банкноту, ему придется измерить ориентацию всех квантовых битов. Если мы кодируем информацию в суперпозицию состояний, то невозможно понять, какое реальное состояние кубита было закодировано. В то же время банк, который закодировал информацию, знает, какое было направления кодировки и может подтвердить, что это настоящая банкнота.

Это простая идея, но конце 60-х годов никто в неё не верил. Сам Визнер пытался опубликовать статью с описанием этой теории почти 10 лет. Сейчас эта идея – базис для направления работы в плане сохранения и передачи информации.

Ещё приложения?

Исследования показывает, что можно увеличить разрешение томографии до таких пределов, что можно видеть на отдельные атомы или молекулы. Команда Михаила собрала сканирующий сенсор из алмаза. На кончике размещается отдельный атом азота: измеряя свойства этого атома по методике, описанной выше, можно измерить локальное магнитное поле. В частности, в этом эксперименте было измерено магнитное поле, которое создается классическим жестким диском с разрешением порядка 3 нм. Более того, оказывается, что такие эксперименты можно делать даже внутри живущих организмов: можно измерять магнитные поля и делать магнитную томографию живых клеток с просто невероятным разрешением. Это, кстати, очень важно, например, для понимания работы мозга ^[1].

Есть другие группы, работающие в этом направлении?

Да, в России есть Scontel, плюс Михаил знает ещё как минимум команду, которая пытается сделать квантовый компьютер.

Ссылки

• Лекция Михаила ^[2] в Digital October на русском и английском.
• Гарвардский центр квантовой физики ^[3] (база Михаила)
• Российский квантовый центр ^[4], там есть анонсы технологий.
• Вики про кошку Шрёдингера ^[5] со сноской, почему именно кошка, а не кот.

Автор: lesnikova