Канадские исследователи предложили способ создания ключевого строительного блока для квантового компьютера на основе специального фотонного чипа и готовых компонентов, используемых в телекоммуникационном оборудовании.

Ими был создан чип, генерирующий разноцветные пары квантово-запутанных фотонов. Фотонами этими можно манипулировать как двумя «кудитами» (от англ. quantum digits) – «цифрами» квантовых вычислений, каждая из которых может принимать десять возможных значений.

Если классические компьютеры присваивают значения последовательно, то квантовые способны оперировать всеми возможными значениями переменной одновременно, находя в конце вычислений «правильный» ответ. При таком подходе упрощается решение далеко не всех компьютерных задач, но он оказывается весьма полезным при разложении больших чисел на множители, что необходимо для взлома многих форм шифрования.

Элементам хранения, из которых сделаны квантовые компьютеры, присуща нестабильность, и для организации совместной работы они должны быть связаны друг с другом в процессе, известном как квантовая запутанность. Чем больше элементов, тем труднее сохранять запутанность их всех в течение достаточно долгого времени, необходимого для проведения вычислений.

Простейший квантовый элемент представляет собой двумерный кубит – квантовый бит, способный одновременно принимать два значения (0 и 1). Квантовый компьютер, состоящий из шести кубитов, способен принимать любое (сразу все) из 64 возможных значений.

Но это требует поддержки квантового состояния из шести элементов.

В июле 2016 года российские ученые предложили вместо кубитов использовать при построении квантовых компьютеров меньшее число кудитов, каждый из которых способен принимать большее количество значений. Они показали, как создать пятимерный кудит, обладающий большей вычислительной мощностью по сравнению с квантовым компьютером с двумя кубитами.

Теперь же канадские исследователи продемонстрировали фотонный чип, позволяющий запутывать два 10-мерных кудита, в которых хранится большее количество значений, чем в квантовом компьютере из шести кубитов. При этом достаточно добиться стабилизации всего двух элементов.

Используя тот же чип, можно сгенерировать два запутанных кудита, позволяющих хранить 9 тыс. и более значений, что является эквивалентом 12-кубитного компьютера.

Корпорация IBM в мае разместила в своем облаке 16-кубитный компьютер, пригласив ученых совместно протестировать алгоритмы квантовых вычислений.

Тем временем, Google к концу текущего года рассчитывает построить 49-кубитный квантовый компьютер.

Впрочем, сгенерировать кудиты еще недостаточно. Для превращения их в квантовый компьютер должна существовать возможность манипулирования ими.

Эта задача была решена с помощью стандартных телекоммуникационных компонентов – фильтров и модуляторов, что делает систему относительно доступной.

В статье, опубликованной в июне в журнале Nature, исследователи утверждают, что построение многомерной квантовой вычислительной системы откроет путь к созданию более быстрых и надежных квантовых коммуникационных протоколов, а также к проведению более эффективных и устойчивых к сбоям квантовых вычислений.

Фотоны в обычных условиях не взаимодействуют, но если бы их все же удалось принудить к этому, открылись бы новые перспективы с точки зрения построения квантового компьютера.

Сложность создания кубитов состоит в трудности сохранения состояния квантовой суперпозиции частиц. Поскольку фотоны мало взаимодействуют с окружающей средой, они надежно удерживают суперпозицию, но по той же причине ими сложно управлять, а в квантовом компьютере необходимо передавать управляющие сигналы кубитам.

В последние годы физикам удавалось добиться взаимодействия фотонов с использованием редких химических элементов, охлажденных до сверхнизких температур.

Ученые МТИ же недавно описали метод, позволяющий заставить фотоны взаимодействовать при комнатной температуре. Для этого используется кристалл кремния с вытравленными в нем в особом порядке углублениями.

Если в устройство, созданное в МТИ, попадает один фотон, он беспрепятственно проходит через него, а если два, то они отражаются. Как объясняют исследователи, получается, что квантовое состояние одного фотона управляет состоянием другого — создан несложный квантовый вентиль, основа универсального квантового компьютера.

Ученые признают, что пока что на основе их конструкции ввиду нестабильности ее работы квантовый компьютер построить еще нельзя, но ее уже можно применять, например, в качестве надежного источника одиночных фотонов.

Исследователи из МТИ, Гарварда и Национальной лаборатории Сандия сообщили о разработке нового метода внесения дефектов в кристаллическую решетку алмаза с целью формирования кубитов для квантовых вычислений. Кубиты удается получать благодаря наличию «вакансий» — мест в решетке, где атом углерода отсутствует, хотя должен находиться, и примесей — атомов посторонних веществ, встроившихся в решетку. Вместе вакансия и примесь представляют собой «центр», имеющий свободные электроны, спин которых может находиться в суперпозиции, — это и есть кубит.

Дефекты кристаллической решетки алмаза естественным образом излучают свет — именно благодаря этому свойству возникла идея использовать их как основу для квантового компьютера: регистрируя излучение, можно считывать информацию из кубитов, не нарушая суперпозиции.

Процесс внесения дефектов, разработанный учеными, предусматривает формирование в поверхности кристалла полостей, улучшающих яркость свечения, внедрением в них ионов кремния и нагреванием до высокой температуры. По словам ученых, по сравнению с прежними экспериментами их метод внесения дефектов обеспечивает гораздо более высокую точность их размещения и может использоваться как стартовая площадка для разработки технологий массового производства квантовых компьютеров.

Пользователи IBM Cloud получили возможность проводить эксперименты на 16-кубитном квантовом компьютере. Корпорация предоставляет средства разработки программ для него, а также учебные и другие материалы.

Впервые облачный доступ к квантовому компьютеру в IBM открыли около года назад, но в том компьютере было только пять кубитов. Тем не менее, на нем было проведено свыше 300 тыс. экспериментов в области квантовых вычислений. Впрочем, напрямую сравнивать мощность квантовых компьютеров по числу кубитов — минимальных элементов хранения информации в квантовых компьютерах, способных находиться в двух состояниях, а также в их суперпозиции — сложно, подчеркивают в IBM. Многое зависит от качества самих кубитов, связи между ними и количества квантовых ошибок. В IBM предлагают измерять мощность квантовых компьютеров синтетическим показателем под названием «квантовый объем», учитывающим эти факторы.

В корпорации конструируют еще более сложный квантовый компьютер с 17 кубитами. Он будет по крайней мере в два раза мощнее нынешнего, и на его основе в IBM планируют разрабатывать первые коммерческие системы. В них может быть 50 и даже больше кубитов.

Персонажи по имени Кью (Q) в фильмах — всегда особенные. Агент Q в киноэпопее о Джеймсе Бонде снабжает его футуристической шпионской техникой, а одноименная раса в «Звездном пути» отличается исключительным всемогуществом.

Программа квантовых вычислений IBM под названием Q тоже в своем роде особенная. В течение ближайших нескольких лет в IBM собираются создать квантовый компьютер, имеющий более 50 кубитов, вследствие чего обычные компьютеры станут еще ближе к тому, чтобы отправиться на свалку истории.

В рамках Q в IBM будут предоставлять заказчикам платные услуги консалтинга и квантовых вычислений. В этом отношении программа похожа на платформу когнитивных сервисов Watson, но они работают на обычных компьютерах, а сервисы Q — на квантовом.

Сейчас IBM располагает на порядок меньшим квантовым компьютером — 5 кубитов. Новая система сможет решать задачи, неподвластные обычным: она ускорит разработку новых лекарств и совершение научных открытий, обещают в IBM.

Квантовые компьютеры принципиально отличаются от традиционных и со временем смогут заменить нынешние ПК и серверы. Квантовые вычисления открывают путь развития компьютеров, после того как классические архитектуры ввиду достижения естественных пределов миниатюризации процессоров развиваться уже не смогут.

Строя все более быстрые квантовые машины, в IBM демонстрируют, что системы такого рода уже не мечта теоретиков. Конечная цель IBM — создать универсальный квантовый компьютер с тысячами кубитов, который позволит решать широчайший круг вычислительных задач.

Система на 50 кубитов — это достаточный масштаб, чтобы можно было разрабатывать квантовые алгоритмы и начинать решать кое-какие реальные задачи, отмечает Скотт Краудер, вице-президент, директор по технологиям квантовых вычислений IBM Systems. По его словам, с ростом быстродействия квантовых компьютеров можно будет найти им новые, еще не предсказанные применения.

Квантовые компьютеры хорошо справляются с разработкой медикаментов и моделированием молекулярной структуры материалов, а также с другими задачами, где необходимо рассматривать одновременно различные точки зрения, в том числе неочевидные, добавляет Краудер.

На современных рабочих станциях и серверах из-за их недостаточной вычислительной мощности решать подобные задачи сложно. Нынешние компьютеры хорошо справляются с поиском информации в огромных массивах уже имеющихся данных, продолжил Краудер.

Казалось бы, сегодня еще рановато предлагать коммерческие сервисы квантовых вычислений, учитывая, что это пока еще предмет исследований. Однако пятикубитовый квантовый компьютер, появившийся в мае прошлого года, был встречен с огромным энтузиазмом: у него уже около 40 тыс. пользователей, проведено свыше 200 тыс. экспериментов и написано 15 научных докладов, говорит Джерри Чау, руководитель отдела IBM по экспериментальным системам квантовых вычислений.

Меньший квантовый компьютер позволил подготовить почву для расширения проекта и запуска IBM Q. Новые квантовые системы будут размещаться в дата-центрах IBM; им понадобятся особые корпуса и способы охлаждения. Совместно с партнерами в IBM будут искать применения квантовым приложениям и вести исследования в области стабилизации квантовых компьютеров.

Нынешняя система на 5 кубитов предлагается в публичном облаке в рамках программы Quantum Experience. Соответствующий сервис бесплатен и останется таковым впредь.

Создание квантовых компьютеров сопряжено с серьезными сложностями, обусловленными высокой нестабильностью таких систем. Нынешние компьютеры могут хранить в каждой ячейке памяти либо единицу, либо ноль, а квантовые могут хранить единицу и ноль одновременно. Это называется квантовой суперпозицией; именно она позволяет кардинально увеличить быстродействие по сравнению с традиционными вычислениями.

Но кубиты весьма «хрупкие» — на их состояние могут влиять электромагнитные поля. Чтобы квантовые машины можно было применять для секвенирования генома и других задач, их необходимо стабилизировать — обеспечить устойчивость кубитов в течение длительных периодов времени.

Исследователи IBM работают над проблемой контроля кубитов, и новый квантовый компьютер станет подтверждением успеха этой работы, заявляют в корпорации. При создании машины на 50 кубитов основное внимание будет уделяться стабилизации, в том числе обеспечению устойчивости связи между кубитами и работе вентилей, а также коррекции ошибок.

Квантовые компьютеры разрабатываются также в Intel и Microsoft, причем в последней ведут исследования, основываясь на элементарной частице, существующей лишь в теории. D-Wave предлагает 2000Q, специализированную машину стоимостью15 млн долл., состоящую из 2000 кубитов и основанную на концепции квантового отжига. Предполагается, что со временем она тоже станет доступной через облако.

В IBM создали еще один компьютер нового типа — NS16e. Он разрабатывался в течение довольно долгого времени и основан на экспериментальных процессорах TrueNorth, имеющих структуру, аналогичную головному мозгу человека. Доступ к NS16e также планируется предлагать в рамках специальной программы. Системы этого типа предназначены главным образом для машинного обучения — с аналогичной задачей справляются и нынешние компьютеры.

В IBM обещают предложить комплекты разработчика и интерфейсы программирования, которые упростят перенос на квантовые компьютеры кода, написанного для традиционных машин.

После десятков лет научных исследований квантовые компьютеры созданы и работают. Вопрос теперь в том, что с ними делать.

В IBM и D-Wave пытаются извлечь доход из своих недешевых квантовых машин, предлагая их в виде сервиса. Но сложность в том, что квантовые компьютеры отличаются от персональных, и их нельзя применять для выполнения всех тех же приложений.

Зато квантовые системы позволяют решать недоступные современным компьютерам задачи, например связанные с поиском новых лекарств и моделированием молекулярной структуры материалов. Нынешние компьютеры хорошо справляются с нахождением ответов путем анализа информации в существующих срезах данных, тогда как квантовые позволяют получать более широкий круг решений путем создания новых срезов данных, основанных на просчитанных предположениях.

Квантовые компьютеры могут работать гораздо быстрее, чем нынешние ПК и серверы, и со временем способны заменить их. Переход на квантовые вычисления — один из вероятных путей дальнейшей эволюции компьютерных систем, после того как развитие современных натолкнется на пределы, обусловленные законами физики.

Исследователи понемногу находят применение существующим сегодня квантовым компьютерам, таким например, как D-Wave 2000Q, у которого 2000 кубитов, и как система IBM из пяти кубитов. В их основе разные технологии, причем компьютер IBM — более развитый в техническом отношении. Используемый в системе D-Wave принцип квантового отжига реализуется проще и быстрее, чем тот, который используется IBM, однако 2000Q все же имеет гораздо большее быстродействие, чем современные ПК (Квантовый отжиг, или квантовая нормализация, — метод нахождения глобального минимума некоторой заданной функции среди некоторого набора решений-кандидатов. — Прим. ред.).

Специалисты Google, НАСА и Ассоциации космических исследований университетов США в настоящее время устанавливают D-Wave 2000Q в научно-исследовательском центре им. Эймса для решения задач, связанных с искусственным интеллектом и машинным обучением. Квантовый компьютер, в частности, планируется использовать для поиска оптимального решения среди широкого круга возможных. В НАСА уже применяют квантовые системы D-Wave при подготовке роботизированных космических миссий, а в Google — при поиске, разметке изображений и при распознавании речи.

На днях в Volkswagen объявили, что пользуются компьютером D-Wave для анализа передвижения такси в Пекине. В компании разработали алгоритм, позволяющий оптимизировать маршруты следования автомобилей и тем самым ускорять прибытие машин к заказчикам по вызову. Цель исследования, в ходе которого использовалась выборка готовых данных по 10 тыс. пекинским такси, состояла также в том, чтобы оценить возможности квантового компьютера. Разработанное в результате программное обеспечение для него, позволяющее оптимизировать транспортные потоки, Volkswagen представила на выставке Cebit в Ганновере.

В D-Wave со временем планируют предложить доступ к квантовому компьютеру через облако. Также поступают в IBM — здесь недавно появился набор сервисов квантовых вычислений Q. В ближайшие годы в корпорации собираются построить для него новый квантовый компьютер из 50 кубитов.

Квантовый компьютер IBM предназначен прежде всего для научных исследований в материаловедении и квантовой физике, причем сервисы основаны на уже известных квантовых алгоритмах. В частности доступна реализация алгоритма Гровера, позволяющего находить информацию в неструктурированных базах данных гораздо быстрее, чем при работе с обычными компьютерами.

Вместе с тем в IBM планируют предлагать доступ к Q для финансового и экономического моделирования. У корпорации есть бесплатный сервис Quantum Experience, позволяющий исследователям выполнять пробные приложения на пятикубитовом квантовом компьютере через облако.