Нанотехнологии и интересные разработки
Почему мы не можем создать квантовый компьютер?
Профессор Университета Ульма Томмасо Каларко, крупный специалист по квантовым компьютерам, приезжал в середине марта с лекцией в МФТИ. Он рассказал студентам о перспективах развития квантовых технологий и возможном участии в этом России и, в частности, иннограда «Сколково».
Справка: Томмасо Каларко работал в Национальном центре по изучению конденсата Бозе-Эйнштейна в Тренто (Италия). Теперь проводит исследования под руководством Михаила Лукина на физическом факультете Гарварда и преподаёт в Университете Ульма. Член научного совета Международного центра квантовой оптики и квантовых технологий в «Сколково»
Томмасо Каларко: «В теоретической физике есть известный факт: если вы сталкиваетесь с проблемой, то её, скорее всего, уже решили русские лет сорок назад»
Квантовый компьютер принципиально отличается от привычных нам ПК. В его основе лежит использование квантовых битов – кубитов. Каждый кубит может, как и обычный бит, находиться в состояниях 0 и 1, но при этом ещё и в суперпозиции – наложении – этих состояний. Тогда он случайно принимает одно из значений. За счёт этого операции над группой кубитов затрагивают сразу все возможные состояния системы, обеспечивая хорошее распараллеливание вычислений.
В теории всё красиво, практика же пока подводит.
Господин Сурков спросил меня утром: можем ли мы создать квантовый компьютер? – уточнил учёный в начале лекции.
Дело в том, что в МФТИ мистер Каларко приехал прямо из кабинета правительства, где проходило заседание по вопросу создания центра квантовых технологий в «Сколково».
И мой ответ был таким: никто не знает, как сделать это. – Но почему мы не можем? – оживлённая речь профессора Каларко иногда ускорялась чуть ли не до световых скоростей. – Во-первых, мы не можем нормально транспортировать атомы. Во-вторых, мы не можем присвоить адрес в массиве конкретному кубиту для управления им. Ведь мы хотим, чтобы система подчинялась нам и только нам.
Здесь поможет теория оптимального управления. Суть её такова: предположим, надо перейти из одной точки гильбертова пространства (совокупности математических операций над квантовыми величинами) в другую. Можно идти как угодно, но теория говорит, что найдётся наилучший путь, – и помогает его найти.
Господин Каларко привёл пример с официантом: если тот ходит медленно, то пища наверняка будет доставлена по назначению. В квантовых масштабах это «медленно» не годится: оно приведёт к декогеренции, то есть нарушению связей в квантовой системе, возникающей из-за влияния внешней среды.
Такая «остывшая» система заказчику не подойдёт, и он попросит деньги назад, – пошутил учёный.
Если же идти слишком быстро, точность измерений сильно упадёт и много посуды окажется на полу. Профессиональные же официанты ходят иначе: сначала они ускоряются, идут с некоторым наклоном и замедляются. Функционирующий по похожему принципу алгоритм разрабатывают для использования в квантовом компьютере.
Каларко работает над переключателем квантовых регистров в оптической решётке, основанном на изменении расстояния между атомами. Его цель – максимально уменьшить ошибку измерений протекающих при этом процессов.
В теоретической физике есть известный факт: если вы сталкиваетесь с проблемой, то её, скорее всего, уже решили русские лет сорок назад, – в этот момент зал рассмеялся: несмотря на беглый английский лектора, шутку оценили многие. – И наш случай не исключение.
Профессор Кротов предложил оптимизационный алгоритм. Вернёмся к нашему официанту. Что вы делаете, когда бьёте тарелки? Правильно, возвращаетесь назад во времени, представляя, как всё было бы, поступи вы немного иначе. Вы проектируете свои желания на то, что уже сделали. И в новой реальности вы будете аккуратнее. Так и алгоритм Кротова постоянно «возвращает» квантовую систему в прошлое и показывает, что будет при некоторой её корректировке. Ошибка при этом, конечно же, уменьшается.
Справка: Кротов Вадим Фёдорович – российский математик, доктор технических наук. Сотрудник Института проблем управления РАН
После лекции студенты задавали итальянскому учёному вопросы. Правда, тех, что относились непосредственно к физике, описанной в докладе, было мало – трудный материал и на русском тяжело воспринимается. Физтехов больше интересовала цель приезда Каларко в Москву, темы его разговоров с чиновниками в Кремле.
Я с радостью вам отвечу. После нескольких месяцев подготовки я был назначен кем-то вроде исполнительного директора нового центра квантовых технологий в «Сколково». Научные советники центра – известные учёные, в июле мы планируем провести большую конференцию и приступить к поиску исследователей, – объяснил учёный. – Сегодня мы обсуждали, что требуется, чтобы следующий этап по созданию центра был одобрен и инвесторами, и правительством. Мы готовы начать работу, как только российское правительство даст нам зелёный свет. И сразу же примемся за привлечение к работе центра ярких, талантливых студентов из МФТИ и других ведущих вузов. На базе «Сколково» будет проводиться обучение, также мы сможем предоставить программы по обмену студентами с ведущими мировыми научными центрами.
Помимо проектирования квантовых компьютеров, в центре господина Каларко будут идти работы по квантовому моделированию атомных процессов, разработке методов детектирования очень маленьких магнитных полей, что пригодится в медицинской томографии, приблизит создание сверхточных часов.