На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Самый важный компонент — физическая система, демонстрирующая квантовое поведение. Ведь, чтобы наш компьютер работал, нам понадобятся такие квантовые феномены, как суперпозиция и квантовая запутанность. Хорошая новость в том, что это дает нам определенную свободу выбора, так как квантовые эффекты присущи любой физической системе. Недаром при обсуждении первых проектов квантовых компьютеров ученые предлагали использовать самые разные физические системы. Среди них были, например, кремниевые пластины с атомами других элементов, образующих на поверхности пластины примеси, которые затем хранили квантовые биты, отдельные электроны, перемещающиеся в гелии, заряженные атомы (ионы), сверхпроводящие цепи, фотоны и множество других систем. Было рассмотрено бесчисленное количество идей.

Несмотря на то что во всех этих системах, конечно же, проявляются квантовые эффекты, самое трудное — это научиться полностью их контролировать, чтобы иметь возможность воспроизводить данные эффекты тогда, когда это необходимо. Физики обладают богатым опытом наблюдения необычных феноменов, предсказываемых квантовой механикой. Но управлять ими чрезвычайно трудно. Отчасти это объясняется тем, что такие эффекты прекращаются при первом же нежелательном взаимодействии (как раз по этой причине мы и не можем наблюдать нахождение двух крупных объектов, таких, например, как люди, одновременно в двух разных местах). Конечно, мы до сих пор продолжаем исследовать многие физические системы, и, возможно, среди них найдутся такие, которые вполне могут предложить идеальную архитектуру квантового компьютера в будущем. На данный момент существует два основных претендента на эту роль. В изучении каждого из них уже были достигнуты впечатляющие результаты, благодаря чему мы сегодня уже можем говорить о возможности построения полномасштабного квантового компьютера.

Один из кандидатов предполагает использование квантового феномена под названием «сверхпроводимость». Причем, чтобы квантовый компьютер с такой архитектурой работал, его придется охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю (–273 °C).

Для пары кубитов сделать это нетрудно, но, если речь идет о миллиардах кубитов, инженерная составляющая становится куда более сложной.

Второй претендент, представляющий собой физическую систему с оптимальными на данный момент показателями, — удерживаемые в ловушках ионы, которые могут выполнять свои функции при комнатной температуре, а в некоторых случаях требуют «умеренного» охлаждения (до –196 °C, температуры сжиженного азота). Всего несколько месяцев назад группа исследователей под моим руководством в Университете Сассекса при участии ряда выдающихся ученых из компании Google, Орхусского университета, японского Института физико-химических исследований (RIKEN) и Зигенского университета опубликовала первый в истории проект полнофункционального квантового компьютера, предусматривающий использование захваченных ионов. И как раз сейчас мы занимаемся созданием такого устройства в Университете Сассекса.

Давайте рассмотрим чуть подробнее принцип работы квантового компьютера с использованием захваченных ловушками ионов. Каждый ион — это один кубит. Внутри каждой удерживающей ион ловушки — глубокий вакуум, что исключает для всякого хранящего кубит атома любые столкновения или какое-либо иное взаимодействие с другими атомами системы. Ионы удерживаются внутри ловушек электростатическим полем, создаваемым электродами, которые соединены со специально спроектированными для этой цели микрочипами. Электроды создают поле, по своей структуре напоминающее сеть со множеством пересечений, что-то вроде обширного лабиринта из игры PACMAN. Меняя напряжение на электродах, можно заставить ионы двигаться по лабиринту. Пересекая эквипотенциальные поверхности, ионы попадают из области, служащей памятью, в области квантовых вентилей, где над ними производятся квантовые логические операции. Обычно такие операции выполняются с помощью отдельных пар лазерных лучей, которые должны быть выровнены относительно друг друга с точностью до микрометра. В этом случае для вычисления потребовалось бы столько же пар лазерных лучей, сколько кубит в нем задействовано, то есть потенциально — миллиарды. Работу этого метода на примере нескольких ионов представить еще можно. Такие эксперименты проводились. Но представьте, какие инженерные решения понадобятся для того, чтобы создать квантовый компьютер с миллиардами таких пар лазеров, способных обеспечить миллиарды ионов!