Если вы думаете, что квантовый компьютер это такая большая морозилка с проводами, которая вот-вот взломает все ваши пароли и положит конец биткоинам, то вы, в общем-то, правы. Но лишь отчасти. Пока гиганты вроде Google и IBM меряются количеством кубитов в своих сверхпроводящих холодильниках, российские ученые пошли другим, очень изящным путем. И этот путь заключается в том, чтобы поймать отдельные атомы в лазерную удочку, охладить их почти до абсолютного нуля и вежливо попросить решить задачку посложнее.
Речь идет о новейшем российском квантовом компьютере на ионах, разработкой которого занимаются в рамках нацпроекта Наука и университеты. И это не sci-fi, а абсолютно реальная установка, существующая в лабораториях. Давайте разберемся, почему это прорыв и при чем тут слово нионы в заголовке (спойлер: это опечатка, но очень распространенная!).
Кубиты: В чем отличие горячих русских парней от холодных западных?
Чтобы понять фишку нашего компьютера, нужно начать с азов. Сердце любого квантового компьютера это кубиты. В отличие от классического бита, который либо 0, либо 1, кубит может быть и 0, и 1 одновременно. Это состояние называется суперпозицией. Представьте монетку, которую вы подбросили и накрыли рукой. Пока вы не подняли руку, она и орёл, и решка одновременно. Вот кубит это такая монетка.
Теперь главный вопрос: из чего делать эти кубиты? Мировые корпорации выбрали путь сверхпроводников это микроскопические сверхпроводящие колечки, которые работают при температуре на миллиградус выше абсолютного нуля (–273 °C). Их плюс: они похожи на обычные процессоры, и их можно пытаться производить серийно. Минус: требуют титанических усилий по коррекции ошибок.
Ионная ловушка: Гостиница для одиноких атомов с лазерным швейцаром
Что такое ион? Это атом, у которого отняли или добавили один электрон, поэтому он имеет электрический заряд. А раз есть заряд им можно управлять с помощью электромагнитных полей.
Технология в упрощенном виде выглядит так:
1. Берём один атом Иттербия (Yb). Почему он? У него красивые и удобные для работы квантовые уровни.
2. Отнимаем у него электрон. Теперь у нас есть положительно заряженный ион.
3. Сажаем его в ловушку. С помощью осциллирующего электрического поля мы создаем невидимый саркофаг в вакууме, где ион парит в пространстве, ни к чему не прикасаясь. Это и есть наша лазерная удочка. Представьте, что вы удерживаете горошину на струе воздуха из фена примерно так же, только в миллион раз точнее.
4. Охлаждаем лазером. Да-да, лазером не только греют. Особым образом подобранный лазер может заставить ион успокоиться и практически остановиться. Чем меньше он дрожит, тем стабильнее его квантовое состояние.
5. Управляем другим лазером. Этим же лазером мы разговариваем с ионом, переводим его кубит в нужное состояние и считываем информацию.
Красота этой системы в том, что такие кубиты идеальны. Они идентичны друг другу как две капли воды (в отличие от искусственных сверхпроводящих кубитов, у каждого из которых есть дефекты). Они очень долго живут в квантовом состоянии. Ошибок у них изначально меньше.
А что же насчет масштабирования? Вот здесь и начинается самое интересное.
Квантовый перфекционизм: Зачем соединять атомы в цепочку?
Один кубит это хорошо, но для вычислений нужны десятки и сотни. Как добавить еще? Мы просто ловим в нашу ловушку не один ион, а несколько! Они выстраиваются в аккуратную цепочку, потому что одинаково заряженные ионы отталкиваются друг от друга.
Эта цепочка и становится нашим процессором. Управляя лазерами, мы можем заставить соседние ионы вступать во взаимодействие запутываться. Запутанность это еще одна магическая квантовая фишка. Если два кубита запутаны, то состояние одного мгновенно влияет на состояние другого, независимо от расстояния между ними. Эйнштейн называл это жутким действием на расстоянии.
Именно это жуткое действие и позволяет выполнять невероятные вычисления. На таких ионных цепочках уже сейчас с высочайшей точностью выполняют сложнейшие алгоритмы.
Так кто же впереди? Не гонка, а марафон
Говорить, что мы обогнали всех, было бы неправильно. Мировые лидеры, такие как компания IonQ или группа Криса Монро, уже имеют работающие системы на 20+ ионных кубитах. Российская разработка это уверенное вхождение в эту элитную группу на переднем крае науки.
Наш путь это путь качества, а не количества. Пока другие наращивают сотни шумных кубитов, которые больше заняты самокоррекцией, чем вычислениями, российские ученые создают эталонные, чистые кубиты с низким уровнем ошибок.
Где это пригодится? Не для взлома WhatsApp, обещаю.
Оптимизация логистики. Просчитать оптимальный маршрут для тысяч машин одновременно? Запросто. Это сэкономит миллиарды рублей.
Искусственный интеллект. Квантовые алгоритмы могут дать невероятный толчок для развития машинного обучения.
А при чем тут нионы?
Нионов в природе не существует (если только вы не имели в виду ниндзя-ионов, но это уже совсем другая история). Это очень распространенная опечатка или оговорка, рожденная из созвучия слов ион и нейрон (нейронные сети сейчас у всех на слуху). Так что если встретите где-то квантовый компьютер на нионах знайте, там говорят об ионах, просто с акцентом на что-то невероятно крутое и незаметное, почти как ниндзя.
Вывод? Российский квантовый компьютер на ионах это не ответ на западные аналоги. Это выбор более сложного, но и более красивого пути к квантовому превосходству. Это как если бы все строили гоночные болиды, а наши ученые собрали швейцарские часы. Тихо, точно и бьющие в самую цель.
А что вы думаете по этому поводу? Кажется ли вам ионный путь более перспективным? Или будущее все-таки за массовостью? И главное как вы думаете, какие самые безумные задачи мы сможем решить с помощью таких машин? Делитесь мнениями в комментариях!