Шок! Российские учёные разбили мировой рекорд в квантовых вычислениях — мир в шоке!

Учёные ФИАН продемонстрировали крупнейшую в мире квантовую операцию

Российские исследователи продемонстрировали крупнейшую в мире логическую операцию, реализованную на квантовом компьютере — так называемый «гейт Тоффоли». Эта инженерно-научная работа расширяет практические горизонты квантовых вычислений и получила отражение в одном из авторитетных международных журналов. Далее начинается плотная сеть физических терминов и методологических деталей, которые для неспециалиста выглядят почти как магия. Поэтому специалисты ФИАН на недавней презентации сосредоточились не только на рекордном эксперименте, но и на пояснении фундаментальных понятий квантовой физики и роли России в международной гонке за квантовыми технологиями.

Источник фото: ФИАН

тестовый баннер под заглавное изображение

До сих пор встречаются скептики, относящие квантовые технологии к разряду эфемерных или даже мистических идей. Между тем квантовая тематика неизменно фигурирует в диалогах высшего руководства страны с руководителями госкорпораций и научных институтов наряду с микроэлектроникой, новыми материалами и освоением космоса. Это свидетельствует о признанной стратегической значимости квантовых направлений и о необходимости хотя бы в упрощённой форме понимать их суть.

Неделимая «волна-частица»

В научных справочниках квант определяется как минимальная, неделимая порция соответствующей величины — например, энергии или электромагнитного излучения. Квант света — это фотон, квант материи в простейшем приближении — атом, квант заряда — электрон. Кванты проявляют двойственную природу: они обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами и могут находиться в суперпозиции — одновременно в нескольких состояниях. Электрон в атоме не описывается строгой классической траекторией; измерения энергии или импульса меняют его состояние, и попытка зафиксировать местоположение часто приводит к разрушению исходной квантовой конфигурации.

Состояние неопределённости именуют суперпозицией. Чтобы проиллюстрировать это, Эрвин Шрёдингер в XX веке предложил мысленный эксперимент: кот помещается в закрытый ящик вместе с устройством, которое с некоторой вероятностью вызывает гибель животного. Пока система не «прочитана» — то есть коробка не открыта — состояние кота формально представляет суперпозицию «жив — мёртв», что наглядно демонстрирует парадокс измерения в квантовой механике.

Ещё одна ключевая особенность квантовой механики — запутанность. Это корреляция между состояниями двух и более частиц такой степени, что отдельное описание каждой частицы становится невозможным, независимо от расстояния между ними. Образно это можно представить через пару неразличимых носков: узнав свой носок, вы немедленно «определяете» состояние носка, находящегося далеко — без обмена сигналами.

Именно суперпозиция и запутанность используются при создании квантовых компьютеров. В классической архитектуре единицей информации является бит, находящийся в одном из двух состояний — «0» или «1». Квантовый аналог — кубит — может пребывать в суперпозиции этих состояний и тем самым предоставлять новые ресурсы для параллельной обработки информации. Теоретически это даёт квантовым машинам потенциал для экспоненциального ускорения в ряде задач по сравнению с классическими суперкомпьютерами.

Исчезнет ли двоичная система?

Идеи о квантовых вычислениях впервые появились ещё в 1980-х годах (работы Юрия Манина и Пола Бениоффа), но интенсивный этап развития начался лишь в XXI веке: с середины 2000-х и особенно после 2020‑го, когда Россия активизировала собственные программы. Как и любое новаторское направление, квантовая вычислительная техника находится в ранней стадии развития и нуждается в длительном цикле инженерной и теоретической отладки.

Тем не менее сторонники технологии предполагают, что в зрелом виде квантовый компьютер изменит вычислительные практики не просто эволюционно, а качественно — подобно тому, как распорядок жизни изменился с появлением космических кораблей. Сегодняшние прогнозы включают перспективы ускорения разработки персонализированных лекарств, глубокого моделирования биологических систем, создания продвинутых криптографических протоколов и новых материалов. При этом квантовые и классические машины не конкурируют в одних и тех же задачах: каждая архитектура будет решать собственный класс проблем.

Илья Семериков демонстрирует самый мощный на сегодняшний день 50-кубитный ионный квантовый компьютер. Фото Научная Россия. Ольга Мерзлякова.

Архитекторы вычислений

На текущем этапе перспективно развивать несколько принципиально различных аппаратных платформ: нейтральные атомы, фотонные системы, сверхпроводящие кубиты и ионные ловушки. Многообразие подходов даёт шанс найти оптимальные решения для разных прикладных задач, а также выявить наиболее жизнеспособные технологии на горизонте нескольких лет.

В настоящий момент самым зрелым считается направление на базе сверхпроводниковых схем; пример — процессор Condor от IBM с 1121 кубитом. Однако одной лишь численностью кубитов мерить возможности системы некорректно. Как подчёркивает разработчик российского 50-кубитного ионного компьютера Илья Семериков, ключевыми метриками являются качество операций и уровень ошибок. По этим показателям отечественная система близка к лидерам, хотя при сравнении с Quantinuum H2-1 для достижения сопоставимой точности предстоит ещё работа.

В российском компьютере в качестве кубитов используется цепочка ионов иттербия. Ионная архитектура предполагает захват и удержание отдельных ионов в электромагнитной ловушке, их охлаждение до очень низких температур и манипуляции с квантовыми состояниями с помощью лазерных импульсов. Такая конфигурация минимизирует внешние помехи и обеспечивает длительное время когерентности, а последовательности лазерных посылов реализуют квантовые алгоритмы.

Таким образом, меньшее число кубитов компенсируется высокой точностью операций. Учёные ФИАН предложили оригинальную идею: использовать в качестве базовой вычислительной единицы не двухуровневую систему, а четырёхуровневую — кудит. В ряде алгоритмов это даёт выигрыш эффективности в диапазоне от 2 до 6 раз в зависимости от структуры вычисления.

Чемпионы тонких состояний

Для определённых задач архитектура на кудитах оказалась более продуктивной. Ещё в прошлом году учёные ФИАН применяли её в реализациях алгоритма Гровера для ускорённого поиска в неструктурированных базах данных, в том числе обучая квантовую систему распознавать рукописные цифры.

Недавно коллектив Института сообщил о мировом первенстве: реализация многокубитной запутывающей операции «гейт Тоффоли» с максимальным числом задействованных кубитов — статья появилось в Physical Review Letters.

Справка «МК». Гейт Тоффоли — это квантовый логический элемент, оперирующий тремя кубитами. Он инвертирует состояние третьего кубита только тогда, когда первые два кубита находятся в логической единице; в иных случаях третий кубит остаётся неизменным, при этом первые два кубита не затрагиваются.

— Это была обобщённая многокубитная логическая операция на 10 кубитах, — поясняет Илья Семериков. — На сегодня это самая крупная подобная операция, задокументированная в мировой литературе. Гейт относится к важным блокам ряда квантовых алгоритмов, включая коррекцию ошибок. Прорыв во многом связан с идеями наших теоретиков из группы Алексея Федорова: они предложили способ, как с помощью многоуровневых квантовых систем выполнить многочастичную операцию значительно эффективнее — условно говоря, вместо ста шагов сделать десять.

— Насколько квантовые компьютеры уже доказали своё преимущество перед классическими?

— Пока не доказали в смысле решения прикладных задач. Нет пока широкого примера практической задачи, в которой квантовый компьютер устойчива и уверенно превзошёл бы классические машины — это то, к чему стремятся учёные всех стран.

— Но появляются сообщения о применении квантовых вычислений в поиске лекарств от рака…

Речь идёт о пилотных этапах: отдельные вычислительные фрагменты процесса приближают к конечной цели. Аналогия: у вас есть машина, которая умеет быстро считать от 1 до 3, а её предлагают масштабировать в 30 раз, чтобы увидеть, сможет ли она соперничать с классической, считающей до 100. На нынешнем этапе это реалии квантовых систем.

— Искусственный интеллект ушёл очень далеко. Есть ли риск, что усилия по квантовым компьютерам окажутся напрасными?

— Искусственный интеллект сейчас действительно демонстрирует впечатляющие результаты, особенно в задачах с большими наборами данных, где требуется реконструкция или генерация недостающей информации. Мы используем ИИ и для оптимизации работы наших квантовых систем. Однако принципиальная разница в том, что ИИ опирается на данные и обучение, а квантовые машины потенциально могут решать задачи без обширного предварительного обучения, используя физические алгоритмы моделирования.

— Что внушает оптимизм в отношении квантовой перспективы?

— Сам факт существования функционирующих квантовых систем уже удивителен: многие даже из разработчиков не всегда интуитивно понимают, как возникают некоторые результаты. Демонстрация мирового рекорда с гейтом Тоффоли — важный этап на пути к прикладному использованию. В идеале квантовые компьютеры станут мощным дополнением классических систем для задач моделирования новых материалов и сложных химических процессов, оптимизации логистики и других вычислительных классов. Для этого потребуются ещё порядки увеличения мощности и дальнейшие открытия в алгоритмике — над чем активно работают теоретики и практики.