Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ИМ. А.В. РЖАНОВА
Сибирского отделения Российской академии наук
НОВОСТИ
16.10.14
Квантовый компьютер изнутри

«Есть ли в современной физике какие-то задачи, которые были бы сравнимы с большими проблемами прошлого, или же остались лишь локальные? — рассуждает старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров и тут же отвечает на свой вопрос, — иногда квантовые вычисления относят именно  к глобальным вопросам (потому что непонятно, можно ли их реализовать в необходимом масштабе), очень много людей занимается этим, сотни или тысячи групп по всему миру. Другие относятся к самой идее квантового компьютера скептически и либо считают, что его так никогда и не создадут, либо он не будет иметь практической ценности».

Илья Бетеров

Тем не менее, интерес к нему, по словам ученого, связан с тем, что логика развития физики как науки в последние десятилетия заключается в следующем: исследователи научились хорошо работать с одиночными квантовыми объектами и системами — нужно их изолировать от внешнего окружения, исследовать свойства и законы взаимодействия друг с другом. Следующий шаг — воплотить заложенный фундаментальный потенциал: наиболее простым и очевидным приложением видятся квантовые вычисления.
 
Кстати, сама их идея имеет во многом отечественное происхождение. Еще в 1973-м году математик Александр Семенович Холево доказал теорему, названную его именем и посвященную тому, сколько информации может храниться в каком-либо состоянии квантовой системы. Затем в 1980-м Юрий Иванович Манин сформулировал мысль о том, что, может быть, нужно моделировать поведение сложных структур такого рода, используя более простые — «квантовые автоматы». «Его идеи не были известны широкой публике, так как были опубликованы в очень математизированной книге, полной вычислений и формул и выпущенной ограниченным тиражом. Широкая известность к квантовому компьютеру пришла годом позже, когда близкие суждения высказал известный физик Ричард Фейнман. С тех пор количество людей, которые занимаются проблемой таких вычислений, стало быстро расти. Не в последнюю очередь это связано с тем, что любая квантовая система в принципе пригодна для последних, и какая из них будет лучше, сейчас неизвестно», — рассказывает Илья Бетеров.
 
Атомы: охладить и возбудить
 
В лаборатории, которой руководит доктор физико-математических наук Игорь Ильич Рябцев, ученые занимаются исследованиями ультрахолодных (то есть охлаждаемых до сверхнизких температур) и высоковозбужденных атомов. После всех необходимых манипуляций они начинают взаимодействовать друг с другом, и таким образом мы видим результаты этого партнерства на уровне отдельных частиц. «Это представляет большой интерес для реализации квантовых вычислений с их использованием. Надо сказать, что в мире этой тематикой занимается не так много людей, например, непосредственно квантовые операции с атомами пытается делать только одна группа из университета Висконсина», — поясняет Илья Бетеров.
 
Судьба атомов, участвующих в исследованиях в качестве объектов, весьма сложна. В главной части установки — вакуумной камере — присутствуют пары рубидия (собственно, с этими частицами и идет работа). Это щелочной металл, и хорош тем, что, имея всего один электрон во внешней оболочке, по поведению напоминает водород. Кроме того, переходы между квантовыми состояниями в нем попадают в диапазон, доступный при использовании самых распространенных полупроводниковых лазеров, поэтому рубидий легко охлаждать до сверхнизких температур.

Один из сопровождающих элементов установки - оптическая система для лазера

Итак, с шести сторон на атом действуют лазеры, тормозящие его движение, плюс катушки, которые создают магнитное поле, нужное для удержания. И то, и другое призвано затормозить частицы и «привести» их в нужную область, где дальше можно с ними работать. Это магнито-оптическая ловушка. Кроме того, есть и возбуждающее излучение — оно приводит к тому, что атом находится на границе ионизации и начинает «чувствовать» своих соседей, даже если они находятся на относительно большой (по их меркам, разумеется) дистанции. Соответственно, это позволяет реализовывать квантовые логические операции, когда состояние одной частицы должно меняться в зависимости от влияния другой. «Это ключевой момент (и самый трудный) для создания квантового компьютера», — отмечает Илья Бетеров. — Наша экспериментальная работа больше сосредоточена именно на этом».
 
Кроме того, в лаборатории разрабатываются и подтверждаются численными расчетами оригинальные схемы квантовых вычислений. Например, ученые придумали такую, в которой кодирование информации происходит в состоянии не единичного атома (поскольку он вещь хрупкая и его легко потерять), а большого ансамбля, причем, число «участников» в нем может быть случайным.
 
В первую очередь, подобные системы применяются для решения ряда задач, которые считаются с точки зрения обычных компьютеров неосуществимыми. «Это означает, что при увеличении размера массива входных данных число шагов, необходимых, чтобы этот массив обработать, растет по экспоненте, то мы очень быстро достигнем предела возможностей любой вычислительной машины , — объясняет Илья Бетеров. — Например, к таким вещам относится разложение больших чисел на простые множители, что, кстати, лежит в основе многих шифровальных схем. Или же поиск в неупорядоченной базе данных. Квантовый компьютер позволяет выполнить эти расчеты за конечное время. Другое приложение, более перспективное — попытки моделировать более сложные квантовые системы с помощью более простых. Самое «жизненное» применение информатики такого типа сейчас — конечно, криптографические задачи». Тем не менее, ученый добавляет: «Я считаю, что отдача для фундаментальной науки от квантовых вычислений будет больше, чем их практическая значимость».
 
Рукотворные частицы
 
«Вот смотрите, — начинает младший научный сотрудник ИФП СО РАН Анна Алексеевна Лямкина, — как только что можно было увидеть, прибор для реализации ансамбля частиц — это вакуумная камера, электрические и магнитные поля, охлаждающие лазеры, регистрирующие устройства. Размер установки — несколько кубометров, то есть, иметь такой квантовый компьютер не очень практично. Однако есть другая возможность его реализации: взять искусственные атомы, так называемые квантовые точки, представляющие собой кусочек одного полупроводника в матрице другого. Если сделать этот фрагмент настолько маленьким, чтобы в нем начиналось квантование уровня энергии, по своим оптическим свойствам он будет очень похож на атом».

Лаборатория с установкой

Такие структуры, уверяет ученый, в некотором смысле гораздо лучше, чем обычные, «натуральные» атомы — последних в таблице Менделеева много, но все равно конечное количество, к тому же рукотворные квантовые точки можно делать разные: как по размерам, так, например, и по длине волны. Кроме того, существенным плюсом подобной системы является то, что к ней можно в прямом смысле слова подключить провода, «накачивая» током, а не лазерным излучением. В результате объем всего устройства будет примерно как мобильный телефон, но в нем тоже реализуются нужные алгоритмы, так что в этом случае квантовый компьютер получит более реалистичную конфигурацию.
 
Тем не менее, не все так просто и очевидно. «Фотон, несущий в себе информацию, выходя из квантовой точки, летит в произвольном направлении. Это, конечно, нас не устраивает, особенно, если он один-единственный, и хорошо бы направить его туда, где вы его будете ловить, — улыбается Анна Лямкина. — Одна из идей: поместить квантовую точку в резонатор и ограничить зеркалами, причем, не простыми, а брэгговскими, состоящими из слоев диэлектриков. Такие структуры можно выращивать, и эта технология хорошо отработана в нашем институте под руководством Владимира Анатольевича Гайслера».
 
Есть и другая мысль, которую специалисты ИФП СО РАН активно стараются развивать: расположить рядом с квантовыми точками металлические частицы — оказывается, они могут работать как антенны, но этим полезные свойства «вкраплений» в гибридных системах не ограничиваются. «Одно из преимуществ квантовых компьютеров — это операции с фотонами, и когда вы переходите на этот уровень, то резко повышаете скорость передачи информации. Проблема в том, что фотоны относительно большие — микрон — а стандарт полупроводниковой технологии подразумевает размер транзистора в 22 нанометра, это намного меньше. Таким образом, на одной плате микронных ячеек можно поместить не очень много, и плотность информации понизится. Один из способов решить эту задачу — опять же металлические частицы, потому что если они оказываются в поле фотона, то в них тоже возникают колебания, причем на той же частоте, что и у последнего. То есть, мы сохраняем огромную скорость и резко уменьшаем размер. Эта область — нанофотоника — сейчас бурно развивается, в том числе, и в ИФП СО РАН, где мы изучаем гибридные металло-полупроводниковые системы, по сути, элементную базу для квантовых компьютеров».
 
Екатерина Пустолякова
 
Фото: Юлия Позднякова

Источник: Наука в Сибири