Наверняка для большинства наших читателей-гуманитариев значения терминов «квантовый процессор» или «кубит» до сих пор представляются чем-то из области фантастики. Но поскольку мир движется именно к этому виду вычислительной техники, который, возможно, совсем скоро заменит наши обычные «битовые» компьютеры, разбираться в этой непростой теме немного надо. Тем более, что и повод информационный имеется, – создание первого в стране четырехкубитного процессора на сверхпроводниках.
Справка «МК». Компьютеры, которыми мы сейчас повсеместно пользуемся, используют в качестве единицы информации бит (сигнал, который может принимать два значения: включено или выключено – 0 или 1). Кубит – как единица информации квантового компьютера (в роли которой может выступать структура из сверхпроводящего металла, напыленного на кремниевую пластину), также может быть в позиции 0 или 1, но при этом способен находиться и в их суперпозиции (то есть быть и нулем, и единицей одновременно). Такая суперпозиция позволяет процессору, состоящему из многих кубитов, делать параллельные вычисления за максимально короткое время, на несколько порядков превышающее возможности современных компьютеров.
– Илья, расскажите, что представляет собой четырехкубитный процессор, который собрала ваша команда?
– Вообще-то в нашем процессоре их – пять, но в работе себя показали пока четыре из них. Кубиты из чистого алюминия (на схеме они представлены крестиками) нанесены на кремниевую пластину по соответствующему рисунку. Эта микросхема устанавливается в специальный держатель и там работает, если ее охладить до сверхнизких температур, порядка десятков милликельвинов.
– Зачем им надо находиться при такой низкой температуре?
– Квантовая информация в кубитах очень чувствительна к тепловым шумам и электромагнитным помехам. Повышенная температура и загрязнения рядом с кубитом способны очень быстро приводить к потере информации. Для того чтобы он нормально работал, температура возле него должна быть близкой к абсолютному нулю.
– Поэтому ученые всего мира сейчас состязаются в том, у кого дольше «проживет» кубит?
– Да, в том числе. Чем дольше кубит способен хранить информацию, тем меньше ошибок получается в результате вычислений. Мы привыкли, что обычные компьютеры практически никогда не делают ошибок, и работают строго в соответствии с заданной программой, однако еще несколько десятилетий назад это было не так. Так и с квантовыми компьютерами, – чем выше будет надёжность кубитов, тем более сложные алгоритмы они смогут выполнять.
Недавно мы с коллегами из МГТУ им. Баумана собрали другой, двухкубитный процессор, у которого кубиты имели время жизни около 100 микросекунд – это сопоставимо с американскими и китайскими сверхпроводниковыми квантовыми процессорами, которые в мире считаются наиболее продвинутыми.
– В чем же тут хитрость? Почему вы до сих пор не числитесь среди лидеров?
– Потому что кроме продолжительности жизни для полноценного компьютера важно еще количество самих кубитов. К примеру, нашему долгоживущему процессору не хватает примерно 50-100 кубитов.
– А у американцев с китайцами – по сколько?
– Google в этом году продемонстрировал 72-кубитное устройство, группа из Китая в прошлом году показала – 66 кубитов. Совсем недавно IBM презентовала 433-кубитный процессор, но подробные результаты пока не опубликованы.
– То есть, в идеале надо увеличивать и время жизни, и количество кубитов. Чего же вам не хватает для того, чтобы сделать это?
– Это очень сложная инженерная задача, довольно трудно сделать так, чтобы управляющий сигнал делал именно то, что нужно, и кубиты вели себя правильно. А не хватает как всегда «железа» и времени. Из-за того, что у нас все оборудование для опытов – импортного производства, нам приходится подолгу его ждать из-за рубежа, чтобы начать разрабатывать программы и проводить эксперименты. За это время наши конкуренты шагают вперед семимильными шагами.
– В чем именно вы нуждаетесь?
– В электронных литографах, которые рисуют структуру микросхемы на кремниевой подложке, на которую дальше напыляются кубиты. Таких в России не делают. Не делают также генераторы сигналов произвольной формы (AWG), которые используются для управления кубитами. У нас в МИСИСе, в Бауманке, в МФТИ есть такие, но по одному-два на всю лабораторию, а этого, увы, маловато. Второй немаловажный компонент – это набор необходимых алгоритмов и программ для работы. Базовые мы можем скачать из открытых источников, а вот для научной составляющей каждая лаборатория разрабатывает свои собственные под решаемые задачи.
– Какие задачи решают сегодня квантовые физики?
– Поскольку уже давно стало понятно, что множество кубитов сложно разместить на одной пластине, весь мир переходит на вертикально интегрированные многоуровневые микросхемы, так называемые флип-чипы, в которых объединены десятки кубитов.
– Скажите, у вас есть путеводная мечта? Чего вам лично хотелось бы по-максимуму достичь на ниве квантовых технологий?
– Наверно это прозвучит банально, но любой человек счастлив, когда ему нравится то дело, которым он занимается. Это же относится и ко мне, – каждый день в лаборатории мы решаем интересные задачи, пытаемся разобраться с тем, как устроена природа, и я говорю не только про рабочие часы, но и о дороге домой, а иногда и о выходных, если необходимо проверить новую идею. А дальнесрочной мечтой сейчас можно назвать квантовый компьютер с процессором из тысячи кубитов и с реализованной программой коррекции возможных ошибок, чтобы не терялись данные. Такая система сможет моделировать сложнейшие процессы химии, позволит разрабатывать новые материалы, новые лекарства и пр.
– Этот компьютер будет похож внешне на тот, которым пользуемся сейчас?
– Дисплей может и не поменяется, а вот приставка к нему будет точно выглядеть по-другому. Условно говоря, это будет обычный рабочий стол, а рядом с ним комната, в которой стоит мощный криостат для постоянного охлаждения кубитов и целая система контроля для генерации и обработки аналоговых сигналов.
– Через сколько лет может появиться тысячекубитный квантовый компьютер?
– Надеюсь, что в ближайшее десятилетие он будет реализован.
