Физики создадут квантовый компьютер размером с футбольное поле

Создание огромного функционирующего квантового компьютера – это своего рода святой Грааль в физике. Такой компьютер, впервые теоретически предсказанный в 1982 году лауреатом Нобелевской премии физиком Ричардом Фейнманом, будет использовать странные для обычного макромира и почти магические свойства квантовых частиц. Цель создания – выполнение вычислений в несколько миллиардов раз быстрее, чем на любом из самых мощных суперкомпьютеров, имеющихся на сегодняшний день.

И недавно международная команда учёных, возглавляемая специалистами Сассекского университета (University of Sussex), опубликовала своего рода декларацию о намерениях, в которой описывается первый в мире общедоступный проект по строительству огромного квантового компьютера.

В то время как инженеры компании Google и другие исследователи уже добились впечатляющих успехов, подтверждающих "жизнеспособность" квантовых вычислений, исследователи из Сассекского университета утверждают, что их план строительства является важнейшим шагом на пути к созданию рабочего прототипа.

Ведущий автор исследования Винфрид Хензингер (Winfried Hensinger), руководитель группы по ионно-квантовой технологии (Ion Quantum Technology Group) отмечает, что работа квантового компьютера совсем не похожа на работу обыкновенного компьютера, поскольку первые используют преимущества странных квантовых эффектов.

"В квантовой физике нечто может находиться в двух разных местах в одно и то же время. Всё равно, что человек сидит в офисе и в тот же момент отдыхает в солнечной Калифорнии. В реальном мире вещи подобного рода не происходят, поскольку квантовые эффекты пропадают, когда происходит взаимодействие с чем-то ещё – светом или воздухом, который нас окружает. Но в тот момент, когда человек изолирует отдельные атомы, подобные эффекты могут иметь место", — объясняет Хензингер.

В обыкновенном компьютере наименьшая вычислительная единица – это бит, который может быть представлен как "0" и "1". В квантовом компьютере каждый квантовый бит (или кубит) является отдельными заряженными частицами (или ионами). Благодаря причудливости квантовой физики, этот ион может "принимать значение" не только "0" или "1", но и обоих сразу.

Подобная суперпозиция – одна из причин, почему квантовые компьютеры могут существенно увеличить вычислительную мощность обыкновенной системы на базе транзистора. Вторая причина – это квантовая запутанность, физический "фокус, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми.

Иными словами, две отдельные частицы связаны таким образом, что любые действия, выполняемые с одной частицей, немедленно влияют и на другую.

Хензингер и его коллеги разработали модульную конструкцию для квантового компьютера, которую можно было бы разрастить или масштабировать для выполнения сложных алгоритмов в считанные секунды. Современным компьютерам на выполнение подобных задач понадобились бы миллионы лет, а машина нового поколения справится за секунды.

Исследовательская группа Сассекского университета можно сказать положила начало технологии, которая использует электрическое поле для хранения и транспортировки отдельных ионов или кубитов из одного модуля в другой (как в видеоигре Pac-Man). И чем больше ионов, находящихся в ловушке, будут взаимосвязаны, тем будет больше вычислительная мощность устройства.

Учёные также добавляют, что их проект опирается на существующие технологии, чтобы преодолеть проблемы, сдерживающие развитие функционирующих крупномасштабных квантовых компьютеров. Подход заключается в использовании в качестве кубитов ионов, находящихся в ловушке в магнитном поле. И эти ионы будут существовать в системе тысячей модулей, каждый размером с ладонь.

Эти квадратные модули должны будут взаимодействовать – их можно по желанию добавлять или заменять. Теоретически можно будет построить такой большой квантовый компьютер, какой пожелает пользователь.

Ранее другие учёные предлагали конструкции квантового компьютера с использование оптоволокна для соединения отдельных модулей. В новом плане предлагается применять электрические поля для транспортировки ионов из одного модуля в другой.

Такой подход, по словам учёных, увеличивает в 100 тысяч раз скорость соединения между отдельными модулями, а также позволяет компьютеру работать при комнатной температуре в отличие от альтернативных конструкций, которым необходимы сверхпроводящие материалы.

Хензингер говорит, что "строительный план" его команды можно расширить для создания квантового компьютера, содержащего от пяти тысяч до пяти миллиардов кубитов – достаточной вычислительной мощности, чтобы воспроизвести квантовый уровень сложности природы.

Учёные Сассекского университета в настоящий момент пытаются создать небольшой прототип своего модульного квантового компьютера. Они надеются его построить в течение двух лет. Крупномасштабная же версия будет занимать целое здание (размером с футбольное поле), говорят специалисты, и стоить более сотни миллионов долларов.

Отметим, что исследовательская группа Хензингера является одной из нескольких лабораторий, которая получила инвестиции Национальной программы Великобритании по квантовым технологиям (UK National Quantum Technologies Program), необходимые для ускорения выхода на рынок квантовых компьютерных технологий.

Описание "строительного плана" квантового компьютера опубликовано в научном издании Science Advances.

Добавим, что ранее проект "Вести.Наука" сообщал о создании первого квантового компьютера с возможностью перепрограммирования. Кроме того, квантовый компьютер впервые смоделировал взаимодействие элементарных частиц.