Ученые делают сказку былью

Команда ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова» и МГТУ им. Н. Э. Баумана на базе научно-образовательного центра «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН) разработала модуль считывания для квантового компьютера. Какую пользу принесет устройство с хитроумным названием, разобрался корреспондент «МЦ». 

Когда слышишь словосочетание «квантовый компьютер», воображение сразу рисует фантастическую машину из книг и кино, способную на удивительные чудеса и даже на предсказания будущего. Но оказывается, что эта фантастика уже вот-вот превратится в обыденность. Все благодаря работе отечественных ученых. Но что же такое этот квантовый компьютер? В основе его работы лежит процессор, как и у обычного компьютера. Только в классическом процессоре единицей информации служит привычный нам бит. Он может находиться в двух положениях — ноль и единица. Соответственно, два бита уже могут составлять разные комбинации, будь то ноль-один, один-один и так далее. Процессор же квантового компьютера использует квантовый бит — кубит. Он может быть одновременно и нулем, и единицей. Быть в так называемой квантовой суперпозиции. Это как со знаменитым мысленным экспериментом с котом Шредингера. Котик сидит в закрытой коробке, и в любую секунду с ним может произойти несчастье. Но пока мы не откроем коробку, мы не узнаем, жив кот или нет. То есть для наблюдателя он одновременно и жив, и мертв. Если говорить грубо, то это и есть квантовая суперпозиция. 

— И за счет этой особенности состояние двух кубитов одновременно представляет собой все возможные четыре комбинации нулей и единиц. Для четырех кубитов — 16 и так далее. Таким образом, увеличение числа кубитов дает большую вычислительную мощность, — рассказывает участник проекта, научный сотрудник Алексей Матанин.

Выполнение же любого квантового алгоритма заканчивается определением состояния каждого кубита — так происходит операция считывания. Если говорить простыми словами, нам необходимо «услышать» кубиты, и зачастую от того, как хорошо мы умеем их «слышать», зависит точность выполнения всего алгоритма. Как раз для этого и был разработан модуль считывания. Это маленькое устройство разрабатывалось почти четыре года. На него пришлось затратить огромное количество ресурсов.

— Сегодня разрабатываются компьютеры, состоящие из нескольких сотен кубитов. Но главные задачи при этом — во-первых, сделать их качественными. А во-вторых, научиться «слышать» кубиты, — отмечает разработчик квантовых устройств, младший научный сотрудник Дарья Москалева.

Можно провести аналогию с виниловой пластинкой. Будь у вас хоть самая дорогая и современная пластинка с уникальными записями, с лучшим проигрывателем, вы не сможете послушать ее без усилителя. Как раз над таким «усилителем» и работают молодые ученые.

— Речь идет о модуле считывания на базе криоусилителей. «Крио» — потому что работает система при экстремально низких температурах. И это холоднее, чем в космосе, — уточняет Алексей Матанин.

Созданный молодыми учеными криоусилитель — маленькое устройство, размером с большую пуговицу, которое уже позволяет «услышать» более семи кубитов. Весь процесс, от идеи усилителя, способного взаимодействовать с одиночными кубитами, и ее воплощения до модуля, работающего с небольшими квантовыми процессорами (до 10 кубитов), длился около четырех лет. И теперь мы в России выпускаем его на рынок в виде готового решения.

— Создание параметрического криоусилителя для считывания сверхпроводниковых кубитов устройства — нетривиальная и при этом важнейшая для квантового инжиниринга задача. Разрабатываемое устройство должно, с одной стороны, усиливать сигнал, а с другой — делать это без привнесения дополнительных помех, — отметил директор НОЦ ФМН Илья Родионов. — Нам удалось создать устройство, которое более чем в 20 раз увеличивает мощность сигнала и при этом «сжимает» шумы в системе до минимально возможных теоретически значений — квантового предела шумов.

Однако работа над устройством не заканчивается. В дальнейших планах — увеличение количества распознаваемых кубитов в несколько раз, а также повышение точности их считывания. Но для чего все эти исследования нужны?

Уже в ближайшем будущем подобные квантовые компьютеры можно будет применять в самых разных сферах жизни. 

— Такие вычислительные мощности пригодятся в логистике. Квантовые компьютеры смогут легко просчитывать сложные маршруты для тысяч посылок одновременно, — подмечает Дарья Москалева. 

Квантовые собратья обладают большей мощностью, чем обычные компьютеры, при этом схожи размерами. В дальнейшем их использование может быть выгодно. 

— Из-за сложной структуры и дороговизны вряд ли когда-то появятся домашние квантовые компьютеры. При этом любой пользователь в перспективе сможет подключиться к квантовому процессору удаленно, используя специальные веб-сервисы. Конечно же, для государств и крупного бизнеса они будут представлять отдельный интерес, — заключает Дарья.

Можно сказать, что мы уже находимся на пороге фантастического квантового будущего. И наши ученые сейчас активно трудятся, чтобы как можно быстрее переступить этот порог.

КСТАТИ

Квантовые компьютеры подойдут и для банков. Они гораздо быстрее смогут просчитывать все финансовые операции, занимая примерно столько же места, сколько обычные.