Новый рекорд: квантовый симулятор научили управлять 256 кубитами

Долев Блувстайн (Dolev Bluvstein, слева), Михаил Лукин (Mikhail Lukin) и Сепер Эбади (Sepehr Ebadi) разработали специальный тип квантового компьютера, известный как программируемый квантовый симулятор

Долев Блувстайн (Dolev Bluvstein, слева), Михаил Лукин (Mikhail Lukin) и Сепер Эбади (Sepehr Ebadi) разработали специальный тип квантового компьютера, известный как программируемый квантовый симулятор
Фото Rose Lincoln/Harvard Staff Photographer.

Долев Блувстайн (Dolev Bluvstein, слева), Михаил Лукин (Mikhail Lukin) и Сепер Эбади (Sepehr Ebadi) разработали специальный тип квантового компьютера, известный как программируемый квантовый симулятор

Квантовый симулятор на 256 кубитов ученые из Центра ультрахолодных атомов MIT-Harvard представили в своей статье, которую опубликовал журнал Nature.

Четыре года назад эта же команда удивила мир квантовым симулятором на 51 кубит. Эта разработка и легла в основу ее нового изобретения.

Принципиально квантовый компьютер отличается от привычного всем компьютера одной вещью – носителем информации.

У обычного компьютера носителем информации выступает вентиль, который словно кран открывает и закрывает поток электронов (электрический ток). Вентиль открыт – компьютер получает сигнал в виде единицы. Вентиль закрыт – для компьютера этот сигнал означает цифру "ноль". Сегодня вентилями в обычном компьютере выступают транзисторы. Из них состоят интегральные микросхемы, которые управляют действиями компьютера.

Но электрический ток, протекая через микросхемы, сильно их нагревает. Из-за этого они требуют охлаждения. Порой колоссального. Поэтому мощные компьютеры потребляют много энергии и устроены очень сложно.

Ученые и инженеры еще с момента появления первой вычислительной машины – арифмометра – все время ищут все более совершенную конструкцию компьютера. Совершенный компьютер должен быть максимально маленьким, максимально быстрым и должен минимально расходовать энергию.

С эпохи настольного арифмометра, в котором надо вертеть ручку, чтобы сложить два числа, мы дошли до крошечных микропроцессоров, которые умещаются на запястье руки. Но нет предела совершенству.

С 1980-х годов ученые пытаются создать компьютер с носителем информации в виде элементарной частицы – самого маленького, самого быстрого и самого экономного объекта во Вселенной. Поскольку элементарные частицы живут по законам квантовой механики, то и такой компьютер назвали квантовым. А единицу информации квантового компьютера назвали кубитом (quantum bit, или qubit). Напомним, что бит – это единица информации в обычном компьютере. У нее может быть всего два значения – ноль и единица. С квантовыми битами всё несколько сложнее.

Создать квантовый компьютер трудно как минимум по двум причинам: надо научиться управлять его носителями информации (элементарными частицами) и надо найти способ считывать с него информацию. Ведь жизнь элементарных частиц глазами не увидишь.

Четыре года назад физики из Массачусетса и Гарварда создали в маленькой камере облако из свободных атомов рубидия и охладили его почти до абсолютного нуля. Затем они направили на атомное облако сто сфокусированных на нем лазеров, выстроенных в ряд. Сфокусированные лучи лазера могли захватывать атомы и перемещать их в нужном исследователям направлении. Перемещения атомов лазером можно было контролировать при помощи специального микроскопа.

Так ученые научились собирать атомы в одномерный массив. Подаваемая в камеру энергия лазера возбуждала атомы рубидия, они начинали взаимодействовать между собой – самоорганизовывались.

Эту управляемую систему из атомов рубидия и оптического пинцета (устройства для управления атомами) объемом в 51 кубит исследователи назвали квантовым симулятором и написали о ней в журнале Nature в 2017 году.

Потом команда пошла дальше. К одному ряду лазеров добавили второй. Новая система позволила собирать атомы с помощью оптического пинцета уже в двумерные массивы (ученые получили два слоя атомов). Это увеличило объем системы с 51 до 256 кубитов.

Звучит просто, но на самом деле это колоссальная работа: расчёты, измерения, подгонка, проверка работоспособности, а потом всё по новой, пока система не будет совершать ошибки и перемешивать атомы между собой словно рисовые зернышки в чаше.

Исследователи также получили возможность с помощью более совершенного оптического пинцета составлять узоры из атомов заданной формы. Им удалось выстраивать атомы в сетки из треугольников, квадратов и шестиугольников, чтобы испытывать различные взаимодействия между кубитами.

Можно представить себе как непросто управлять атомами, если попробовать при помощи бамбуковых палочек для суши и роллов выложить на столе узоры из зёрен риса.

Ученые соединили снимки атомов в кадры и получили забавное видео.

"Рабочей лошадкой новой платформы является пространственный модулятор света. Он используется для создания сотен индивидуально сфокусированных оптических пучков пинцета", – объясняет Сепер Эбади (Sepehr Ebadi), аспирант Гарвардского университета. – Это устройство по сути такое же, как то, что используется внутри компьютерного проектора, но мы адаптировали его, чтобы оно могло стать критически важным компонентом нашего квантового симулятора".

Технология американских ученых вплотную приблизила нас к созданию квантового компьютера. Ведь они научились управлять движением носителей информации – атомов рубидия. И нашли возможность наблюдать за результатом их движения.

"Это перемещает нас в новую область, где до сих пор никто никогда не был, – утверждает Михаил Лукин (Mikhail Lukin), один из главных авторов исследования. – Мы входим в совершенно новую часть квантового мира".

Сейчас исследователи совершенствуют лазерный контроль за кубитами, чтобы сделать систему более программируемой. Они активно думают, как использовать изобретение для новых приложений – от исследования экзотических форм квантовой материи до решения сложных реальных проблем, которые можно запрограммировать с помощью этих 256 кубитов.

Интересно, что работа ученых была поддержана не только научными фондами США, но и Министерством энергетики США, Управлением военно-морских исследований, Управлением армейских исследований MURI и программой DARPA ONISQ.

Ранее мы сообщали, что с помощью квантовых компьютеров ученые хотят победить коронавирус, а также о создании квантового компьютера в алмазе. А еще мы рассказывали, что Google хочет построить "практичный" квантовый компьютер к 2029 году.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".