Вы находитесь на старом сайте НГУ. Перейти на новый сайт

01.12.2015

Создание квантового компьютера — одна из интереснейших и сложнейших проблем современной физики. Согласно расчетам ученых, это устройство позволит решать задачи, с которыми не в состоянии справиться даже современные суперкомпьютеры. Однако говорить о его скором появлении пока не приходится. В конце октября 2015 года сотрудник квантового центра НГУ и Института физики полупроводников СО РАН Илья Бетеров и профессор Висконсинского университета Марк Саффман опубликовали в журнале Physical Review A результаты совместной работы, которые могут способствовать повышению точности квантовых операций.

Хорошо знакомый нам классический компьютер оперирует «битами». Бит — это единица информации в двоичной системе исчисления, различие между двумя вариантами: правда или ложь, да или нет и 0 или 1 в информатике. Физически это можно реализовать, используя переключатель (триггер) для двух положений, каждому из которых мы приписываем значения 0 и 1. Из таких переключателей собираются процессор, память и контроллеры в электронном устройстве.

Чем меньше триггер, тем быстрее его переключить, а чем больше переключателей, тем более функциональную схему можно сделать. Транзисторы — основные элементы полупроводниковой электроники, из которых изготавливают компьютеры, оказались идеальными вместилищами битов. Их можно переключать со скоростью несколько миллиардов раз в секунду, а уменьшение их размеров позволяет увеличивать рабочую частоту процессоров и памяти, повышая их функциональность. Однако бесконечно идти по пути уменьшения невозможно из-за квантовых эффектов. При очень малых размерах транзистора электроны в проводниках начнут туннелировать из одного в другой, что вызовет появление вычислительных ошибок.

Квантовый компьютер — это способ превратить ограничения в преимущество.

Впервые о возможности квантовых вычислений задумались советские математики Александр Холево и Юрий Манин в 1970-х годах, а популярность к этой идее пришла после того, как концепцию квантового компьютера сформулировал Ричард Фейнман. Единицей информации для такого компьютера является квантовый бит — кубит. Благодаря законам квантовой физики кубит может находиться сразу в двух состояниях 0 и 1, физики говорят о суперпозиции — наложении этих состояний. При увеличении количества кубитов в процессоре квантового компьютера его мощность растет быстрее классического. Например, вместо двух битов в квантовом компьютере действия будут проводиться над суперпозицией уже четырех состояний 00, 01, 10 и 11.

Со времен Ричарда Фейнмана появилось множество теоретических и экспериментальных работ, посвященных квантовым вычислениям, их уже продемонстрировали на уровне проверки основных принципов. Канадская компания D-Wave даже разработала коммерческий компьютер на основе одного из квантовых алгоритмов.

До создания универсального квантового компьютера пока по-прежнему далеко. Нужно научиться управлять состояниями отдельных квантовых систем с очень высокой точностью, а затем — состояниями уже квантового регистра, состоящего из тысяч кубитов, — рассказывает доцент НГУ Илья Бетеров.

Вместе с коллегами Бетеров ведет экспериментальные исследования ультрахолодных атомов для создания квантового компьютера. В России это единственная группа ученых, занимающаяся такой темой. Она работает в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН и недавно вошла в состав Междисциплинарного квантового центра НГУ. Группу возглавляет доцент НГУ, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН Игорь Рябцев.

По словам Ильи Бетерова, использование ультрахолодных нейтральных атомов является одним из перспективных направлений создания квантовых вычислений. Холодные атомы хороши тем, что их можно изолировать от внешнего окружения и заставить взаимодействовать друг с другом. Мировым лидером в экспериментальной квантовой информатике с нейтральными атомами является лаборатория профессора Марка Саффмана из Висконсинского университета в Мадисоне (Висконсин, США). В этой лаборатории создан квантовый регистр из 49 квантовых битов — одиночных атомов рубидия, охлажденных лазерным излучением до сверхнизких температур в несколько десятков микрокельвин и захваченных в оптические пинцеты. Именно такие атомы должны стать логическими элементами масштабируемого квантового компьютера, количество кубитов в котором можно увеличивать без ограничений.

В 2014 году Бетеров посетил Висконсинский университет в Мадисоне в рамках Проекта 5–100. Американцы показали уникальные экспериментальные установки и ответили на ряд технических вопросов. В короткие сроки была проведена совместная работа — теоретическое исследование взаимодействия возбужденных атомов рубидия и цезия. Проблема состояла в следующем: при измерении квантового состояния отдельных атомов рассеиваются фотоны. Эти фотоны могут поглощаться близко расположенными соседними атомами и разрушать их квантовое состояние. Увеличить расстояние между атомами нельзя — они перестанут взаимодействовать. Но можно поместить между кубитами — атомами цезия — вспомогательные атомы рубидия, как показано на рисунке. Энергию их взаимодействия было необходимо рассчитать.

Взаимодействие атомов одного и того же химического элемента, возбуждаемых лазерным излучением, хорошо изучено. Еще в 2010 году новосибирская группа впервые продемонстрировала в эксперименте резонансное взаимодействие двух отдельных высоковозбужденных атомов Но такое взаимодействие атомов разных химических элементов до сих пор не привлекало внимания физиков.

— Основная задача нашей работы заключалась в том, чтобы обобщить математический аппарат, ранее разработанный для одинаковых взаимодействующих атомов, и применить его с учетом результатов последних спектроскопических измерений свойств рубидия и цезия. В теоретических расчетах проявились многочисленные новые резонансы, которые в дальнейшем можно будет увидеть экспериментально. Оказалось, что если возбудить атомы в определенные состояния, то энергия их взаимодействия резко вырастет по сравнению с соседними квантовыми уровнями, — отмечает Илья Бетеров.

Результаты совместного исследования были опубликованы в недавно вышедшей в престижном журнале Physical Review A статье Rydberg blockade, Förster resonances, and quantum state measurements with different atomic species. Следующим шагом должно стать создание квантового регистра, схему которого разработали ученые.

Создание квантового компьютера позволило бы моделировать сложные физические системы, расшифровывать секретные коды, решать задачи перебора. Однако проблема точного управления эволюцией большой квантовой системы с адресацией ко всем ее элементам исключительно сложна. До сегодняшнего дня неизвестно, какая именно квантовая система станет основой масштабируемого квантового компьютера. Параллельно развивается целый ряд подходов — оптических и твердотельных. В ближайшие годы можно ожидать заметного роста точности квантовых операций и увеличения размера квантового регистра, но вопрос о том, будет ли преодолен порог, необходимый для того, чтобы квантовые вычисления стали практически полезными, остается открытым, — говорит ученый, возвращаясь к идее неклассического компьютера.

— Сотрудничество научных групп в области квантовых вычислений с нейтральными атомами будет продолжаться, а обмен опытом исключительно полезен — этой тематикой в мире занимаются совсем немногие.

На фото: Схема квантового регистра на основе атомов рубидия и цезия (1), Профессор Висконсинского университета Марк Саффман и доцент НГУ Илья Бетеров (2)

Илья Бетеров, Дина Голубева

Last edit: 03.12.2015 19:05