Что такое квантовый компьютер

Прорывом на «следующий этаж» науки можно назвать сегодня создание квантового компьютера. Как оценивают его возможности сами ученые? Есть ли среди них ростовские исследователи? Ответы на эти вопросы автор этих строк искала в беседе с академиком РАН, научным руководителем Южного федерального университета, заместителем председателя ФИЦ ЮНЦ РАН, профессором Владимиром Минкиным.

— Начнем со следующего — а зачем он нужен, квантовый компьютер? Чем нас не устраивают современные компьютеры, тот же мощный «Ломоносов», который имеется в распоряжении МГУ?

— «Ломоносов» — лишь во второй десятке самых мощных компьютеров в мире. Эта машина занимает два этажа, для ее работы выстроена электростанция, которая могла бы снабжать электроэнергией, скажем, жителей Таганрога. Производительность этого компьютера — 1,27 миллион миллиардов операций в секунду.

Академик Владимир Минкин

— Для чего нужны такие вычисления?

— Они нужны (и этого не хватает) для расчета изменений погоды на довольно продолжительное время. Компьютер «Секвойя» (с мощностью в 10 раз больше, чем у «Ломоносова», находится в Японии) просчитывает последствия ядерной войны. Компьютер в МГУ занят расчетами полетов в космос. Мощность компьютеров нового поколения определяется числом транзисторов, которые можно поместить на определенную единицу площади. Наиболее совершенные транзисторы имеет площадки размером 14 нанометров (нанометр — миллиардная часть метра).

Существует закон Мура, согласно которой говорит о том, что каждые полтора-два года число транзисторов, которые можно разместить на единице площади, удваивается и, соответственно, производительность компьютера увеличивается. Но теория говорит и о том, что нельзя сделать транзистор с единицей площади менее пяти нанометров.

— И что же — дальше?

— А дальше — остановка. Кроме того, есть вещи, которые классические компьютеры хорошо делать не могут, например, криптография. Сегодня развивается два направления, по которым возможно создание компьютеров нового поколения: первое из них — молекулярные компьютеры. В роли транзисторов в данном случае выступают молекулы, которые могут присутствовать в двух состояниях: речь идет об изомерах — веществах, одинаковых по составу, но разных по строению, что аналогично 0 и 1 (аналогично состояниям «включил-выключил», что есть на любом приборе)- то, что требуется для работы информационно-вычислительной системы.

Размер молекулы-транзистора — половина нанометра. Потому использование молекул и есть путь создания более совершенного компьютера. НИИФОХ (подразделение ЮФУ) продолжает активно работать по созданию элементов будущего компьютера — молекулярных переключателей и молекулярных проводов (есть такие молекулярные цепочки, которые способны проводить электричество).

— Так почему же такой компьютер до сих пор не создан, если очевидны его преимущества?

— Была полная уверенность, что молекулярный компьютер будет создан к 2015–2020 годам. Однако уже ясно, что этого не произойдет. Проблема — в невозможности собрать все это в рабочую систему. Во всяком случае — пока.

— Вы упомянули и второе направление…

— Это квантовые компьютеры. И здесь мы вторгаемся в область, где действуют не привычные для нас законы физики, а законы квантовой механики. Если мы работаем с привычными транзисторами, то в информационном плане имеем переход между двумя состояниями транзистора «включен-выключен» — то есть, 0 и 1. Эти единицы измерения количества информации называются битами. Но если вы в качестве битов используете систему, обладающую квантовыми свойствами, и у вас эти два бита — 0 и 1 — связаны каким-нибудь способом (предположим, это спины электронов или ядра атомов), то между ними может возникать квантовое взаимодействие («квантовое запутывание»). То есть, 0 и 1 зависят друг от друга: воздействуя на 0, мы одновременно действуем и на 1. А если число битов, скажем, N, то мы можем воспроизвести определенное количество различных состояний. Но если эти биты (все их N-количество) квантовые, то есть «запутанные», то мы можем воспроизвести 2 в степени N состояний (те же 2 в степени 300 — это количество атомов во всей Вселенной). А в реальных компьютерах число N — это многие миллионы.

— Уложить все это в голове трудновато…

— Не огорчайтесь: даже основатели квантовой механики считают, что ее никто не понимает потому, что ее невозможно воспринять на основе нашего жизненного опыта, понятия которого построены на общении с макросистемами. При этом законы квантовой механики абсолютно точны и они предрекают возможность создания квантового компьютера.

— Как же все рассказанное вами сумели воплотить в жизнь?

— Квантовые компьютеры, в которых используются квантовые биты (названные «кубитами»), уже созданы. Они работают, прежде всего, там, где требуется линии передачи данных с гарантией их недосягаемости.

Кстати. В конце 2017-го Российский квантовый центр запустил линию связи с квантовой защитой между двумя московскими офисами Сбербанка — на Большой Андроньевской улице и на улице Вавилова. Это первый в России эксперимент по квантово-защищенной передаче реально используемых данных в городских условиях и следующий шаг после демонстрации квантового распределения ключа в Газпромбанке в 2016 году. На линии длиной около 25 километров работало гибридное квантовое устройство, использующее квантово-распределенные ключи для усиления защиты в действующей инфраструктуре информационной безопасности. Специалистам РКЦ удалось создать конкурентоспособный на мировом рынке промышленный продукт.
Серийный выпуск данных устройств квантовых коммуникаций планируется начать в 2018 году.

— А сложности при создании такого «агрегата» каковы?

— Появились сообщения (Гарвард, Массачусетский институт) о создании пока еще не квантового компьютера, скорее, квантового симулятора, который в качестве кубитов использует атомы. Одним из ведущих ученых в этой области — наш соотечественник, работающий в Штатах, Михаил Лукин. Большой проблемой для квантового компьютера является следующее: с одной стороны, необходимо, чтобы квантовые биты хорошо взаимодействовали между собой. С другой — они никоим образом не должны взаимодействовать с окружающей средой, а, значит, и подвергаться разрушению. Лукин и его соавторы показали, что можно выстроить систему из 51 кубита (парой выступили атомы рубидия — один с электроном в возбужденном состоянии на далекой орбите (не отрывая последний от ядра) и другой — в основном состоянии. Главное было — уложить их в определенной последовательности и найти способ переключения из одного состояния в другое, добившись, чтобы эта система оставалась стабильной, не разрушаясь сама по себе. Для этого систему пришлось охладить почти до абсолютного нуля — чтобы атомы двигались с минимальной скоростью. С помощью лазера информация передавалась от одного атома к другому.

— Вы назвали металл рубидий, а какие еще элементы годятся для создания таких систем?

— В качестве квантовых битов можно использовать ионы других металлов, которые пропускаются через квантовую щель и в магнитных полях удерживаются в необходимом порядке. Можно использовать и спины ядер атомов или электронов (спин — это момент вращения элементарной частицы — прим. ред.). В НИИФОХе ЮФУ проводились расчеты, связанные с использованием электронных спинов комплексов металлов с целью создания из них квантовых систем.

И еще раз о сложностях: про удержание системы в определенном состоянии, не давая ей разрушиться, уже сказано, но сложнее следующее — вся алгоритмика квантового компьютера коренным образом отличается от привычного нам программирования. Фирма IBM объявила, что на ее пятикубитовом компьютере может производить вычисления любой университет. Фирма рассчитывает, что добровольцы внесут свой вклад в квантовое программирование. А это сделать очень непросто.

— А представители России работали на этом компьютере?

— Неизвестно. Но в России существует Российский квантовый центр (Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий — прим. ред.), который создавался в Сколково. Он поначалу субсидировался государством, но сегодня в работу центра большие средства вкладывают Газпром, Сбербанк. Уже упомянутый Михаил Лукин — соучредитель центра. То есть, появляются реальные заказчики, которые готовы не только давать заказы, но и поддерживать работу этой структуры.

Кстати. Крупные проекты по разработке и внедрению технологии квантовых коммуникаций активно ведутся в Китае, Японии, США и Европе. Системы квантовых коммуникаций в Швейцарии использовались в рамках федеральных выборов и во время проведения чемпионата мира по футболу в 2010 году, сегодня они внедряются различными финансовыми организациями. В Китае внутригородские и магистральные сети квантового распределения ключей общей протяженностью порядка 2000 км уже внедрены в решения по защите межбанковских коммуникаций. Для реализации проекта по созданию глобальной технологии квантовой защиты в 2016 году был запущен спутник для квантово-оптических экспериментов.

— Можно ли сказать, что на общем фронте борьбы за квантовый компьютер в России есть и «небольшой окоп» ростовских ученых?

— Мы, в основном, и занимаемся такими молекулами, которые могут находиться не только в одном закрепленном, но и в двух различных состояниях. А это и есть квантовые биты. И в наших силах создать молекулы, находящиеся и в трех состояниях, и в четырех. И это путь дальнейшего развития, но до него еще очень далеко.