Физики из MIT и России раскрыли принципы работы первого в мире 51-кубитного квантового компьютера, о создании которого Михаил Лукин объявил в июле этого года на конференции ICQT-2017 в Москве, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

«Подобные машины можно использовать не только для науки, но и решения оптимизационных задач. Похоже, что мы можем решить очень сложные проблемы, управляя положением атомов и тем, как они взаимодействуют друг с другом. Пока не понятно, будут ли такие квантовые алгоритмы быстрее их классических конкурентов, однако сейчас мы вплотную приблизились к их проверке на практике, используя квантовые системы, содержащие в себе сотни кубитов. Все это очень интересно и для науки», — рассказывает Лукин.

Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.

Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства.

Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности.

В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считалась команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный «гибридный» вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.

Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра (РКЦ), неожиданно для всех опередил Мартиниса в этой гонке, заявив 14 июля этого года о том, что его команде удалось создать 51-кубитную машину, и пообещав рассказать о принципах ее работы и устройства в одном из ведущих научных журналов.

«В нашем компьютере все происходит внутри небольшой вакуумной камеры, внутри которой находится очень разреженное облако из атомов, охлажденных до околонулевых температур. Когда мы „обстреливаем“ это облако примерно сотней лазерных лучей, каждый из них превращается в ловушку, которая удерживает в себе ровно один атом и в принципе не может содержать два атома. После этого начинается все самое интересное», — рассказывает Лукин

Роль кубитов в данном случае играют особые частицы, которые физики называют «атомами Ридберга». Они представляют собой атомы рубидия-87 или других щелочных металлов, чей свободный электрон был «отодвинут» на огромное расстояние от ядра при помощи особых лазерных или радиоволновых импульсов. Благодаря этому размеры атома увеличиваются примерно в миллион раз.

Подобными «атомами» гораздо проще манипулировать, чем их обычными «кузенами», и они обладают одним чрезвычайно полезным свойством для квантовых компьютеров – они отталкивают друг друга и взаимодействуют друг с другом на очень больших расстояниях.

Это позволило Лукину и его команде превратить набор из нескольких десятков подобных «атомов» в адиабатический квантовый компьютер, работой кубитов которых ученые могут управлять, обстреливая их еще одним лазером.

Данный компьютер, как и прочие аналоговые квантовые машины, работает «сам по себе», без вмешательства со стороны ученых, благодаря квантовым взаимодействиям атомов Ридберга между собой, которые происходят после того, как физики временно отключают лазеры, удерживавшие их на месте во время «настройки» компьютера.

Первые эксперименты с этим вычислителем, как рассказывал Лукин летом в Москве, уже позволили физикам раскрыть несколько любопытных квантовых эффектов, о существовании которых ученые раньше не подозревали. Лукин и его коллеги надеются, что создание более сложных машин, состоящих из сотен кубитов, поможет раскрыть их природу и понять, можно ли использовать подобные аналоговые вычислители для решения серьезных практических задач.