Квантовый компьютер своими руками

Обновлено: 07.07.2024

Загадочная технология Quantum Computers (КК) начинает мелькать в новостях все чаще. Но для большинства это остается тайной, покрытой мраком непреодолимого для понимания барьера квантовой физики.

Статья — моя попытка, как инвестора в стартапы, заглянуть в технологию будущего до того, как это станет мейнстримом. Математиков, физиков и изобретателей прошу не судить меня строго.

В 1981 году американский физик Richard Feynman, нобелевский лауреат 1965 года, заявил, что квантовая механика сделает революцию в компьютерах, тем самым предсказав появление квантовых компьютеров (КК)

"Действительность — не классическая, черт возьми, и если мы хотим сделать ее симуляцию, нужно использовать методы квантовой механики, и это великая мировая задача, которая кажется очень не простой"

В 1994 году американский математик Shor из Massachusetts Institute of Technology придумал первый квантовый алгоритм, который дал разительное превосходство полиномиальных алгоритмов над экспоненциальными при нахождении факторов целых чисел. Это был исторический момент, который спровоцировал математический ренессанс, квантовые алгоритмы стали появляться один за одним, предлагая принципиально новые подходы к решению задач, которые ставят современные компьютеры тупик и всегда были в списке трудно решаемых математических задач

В современных компьютерах при решении многих задач сложность вычислений растет экспоненциально при линейном увеличении порядков чисел, что делает невозможным эффективное описание многих физических процессов. В квантовых системах же зависимость обратная, что позволяет им щелкать как орешки задачи с большими числами. Симуляция квантовых алгоритмов возможна на современных суперкомпьютерах, однако максимум удается виртуализировать только систему из 50 кубитов (Qubits), а для запуска супер алгоритмов нужно как минимум МИЛЛИОН кубитов

Применение этих новых супер алгоритмов возможно только на КК, что запустило процесс глубокой научной разработки методов конструирования КК. Сейчас существует несколько потенциально рабочих моделей, все они основаны на физике элементарных частиц и явлений, что выходит за рамки возможности понимания неспециалистов. Главные направления разработки — использование фотонов (частиц света), суперпроводников (транзисторный метод), адиабатических волн (стремление физических систем к покою), и контролируемые ионов.

Если абстрагироваться на уровень выше, то принципиальное отличие КК от современных компьютеров в том, что вместо логического двоичного элемента — Бита, используется Кубит, который может иметь любое значение между 0 и 1

В 2019г Google сделал громкое заявление о практически подтвержденном превосходстве КК. Их 53 кубитная машина Sycamore смогла решить за 200 секунд задачу, которая на современных суперкомпьютерах заняла бы 10 тыс лет.

2021г стал прорывным для КК. Появились рабочие прототипы до 127 кубит (IBM), которые показали, что теория была верна и КК неминуемо (когда-то в будущем) сделают вычислительную революцию. На некоторых функциях КК уже могут показывать превосходство над современными суперкомпьютерами в ТРИЛЛИОН ТРИЛЛИОНОВ РАЗ. Число новых стартапов в области КК, патентов и финансирование (государственное и венчурное) начали расти экспоненциально.

IBM планирует выпустить 1121 кубитный КК в 2023, а магическую планку в 1 миллион кубитов взять к 2030 году

Главными источниками финансирования КК на данный момент остаются государства. Это нормальное явление для deep-tech технологий, в которые пока не готовы массово входить частные капиталы. Интернет, беспилотные авто и космос тоже начинались как правительственные проекты за десятилетия до их коммерческого применения.

Однако, 2021 год стал переломным в плане финансирования КК. За последний год было вложено $1 млрд венчурных денег, что в 3 раза больше, чем за 3 предыдущих года вместе взятых. Эти цифры, кончено пока ничтожно малы. К примеру, за 2021г только в доставку еды самокатами по всей планете было инвестировано в десятки раз больше. Но прогресс не остановить, разработки КК вплотную подошли к границе, где их практическое применение уже находится в обозримом будущем.

КК трансформируют человечество и дадут колоссальные прорывы во всех областях. Но это не в ближайшее время. До первых практических применений еще как минимум 3-5 лет, а до настоящего квантового превосходства (Quantum Supremacy) — около 10 лет. Вот только вершина айсберга научных прорывов, который таит в себе изобретение КК:

Физика. Открытие возможности для практического применения всей накопленной со времен Эйнштейна теоретической базы квантовой механики. Что потенциально может привести к возможности человечества манипулировать временем и пространством.
Биотехнологии. Разработка лекарств на немыслимых сегодня скоростях. Победа над всеми болезнями, замедление (или даже остановка) процессов старения.
Большие данные (BigData) и искусственный интеллект (AI) — радикальное ускорение обработки данных. На сегодня большая часть собираемой человечеством информации пылится в хранилищах (Data Lakes) без дела. КК откроют дорогу к изобретению универсального ИИ (AGI) и достижения сингулярности.
Химия. Создание материалов с любыми необходимыми свойствами, в т.ч. сверхпроводники
Экономика и поведенческая психология. Моделирование и предсказание всех макроэкономических процессов. Решение всех логистических проблем.
Моделирование и аэродинамика. Создание автомобилей, самолетов и ракет с идеальными параметрами обтекания.
Климат. Предсказание и даже управление планетарными климатическими процессами

Главная проблема масштабирования КК в том, что физически эти системы настолько малы, что на их состояние может влиять любое внешнее воздействие, будь то тепло, электромагнитное излучение, радиация, космические лучи, внешние элементарные частицы. Чип, где происходит все волшебство, имеет площадь несколько квадратных сантиметров. А все остальное нагромождение оборудования вокруг — это защита от шума и контроллеры стабильности и управления.

На данный момент активно развиваются облачные квантовые сервисы (IBM, Google, Microsoft, Amazon, Alibaba), которые дают возможность исследователям прикоснуться к КК

Локомотивом венчурного инвестирования в 2021г стал калифорнийский стартап PsiQuantum, который привлек рекордные $450 млн на разработку фотонного КК. Также отличился канадский Xanadu (фотонный КК), калифорнийский Rigetti (разработка софта для КК), американский IonQ (ионный КК), израильский Quantum Machines (оборудование для КК)

Выгодно ли сейчас инвестировать в КК стартапы? Если поверить в неотвратимость квантовой революции в ближайшие 5-10 лет — то ответ однозначно ДА. Это как делать ставку на электромобили 10 лет назад, когда идея казалась интересной, но немного утопичной. Или ставку на развитие интернета 25 лет назад, когда мало кто понимал для чего может пригодиться объединение компьютеров в глобальную сеть. Или ставку на персональные компьютеры 35 лет назад, когда идея иметь компьютер в каждом доме казалась наивной и бессмысленной.

Автор — Александр Столыпин, частный инвестор в технологические стартапы, организатор инвестиционного венчурного синдиката IPOSharks и автор одноименного телеграм канала

Полезная статья, которая может принести читателю ещё и хороший доход, если он часть своего капитала диверсифицированной распределит в такие компании.

Есть одно мудрое высказывание: в прошлое нельзя вернуться и сделать все по другому (например, купить акции Тесла по 50$), но зато можно создавать будущее уже сейчас.

Александр, благодарю за интересное и полезное исследование. Очень хочется больше таких статей в разрезе тех компаний, которые ты видишь потенциальными и в которые можно вложить деньги на ранних стадиях!

Группа исследователей из различных университетов США и Великобритании, опубликовала многообещающее предварительное исследование . Оно представляет возможность создания "программируемого" квантового компьютера, используя нейтральные атомы, захваченные лазерами.

Но сначала, что такое квантовый компьютер? "Квантовый компьютер" — это компьютер, который использует принципы квантовой физики для выполнения своих вычислений. Что не намного продвинет нас вперед, если мы не определим несколько лучше, что такое последнее!

Квантовая физика занимается изучением поведения материи и света на микроскопическом, или атомном, уровне. Ученые обнаружили, что в таких масштабах она ведет себя совершенно нелогично по сравнению с ранее известной физикой. При изучении этого поведения возникли новые физические принципы, которые изучаются и сегодня.

Знаменитый принцип "суперпозиции" имеет решающее значение для работы квантовых компьютеров. Классический компьютер работает на основе "битов", которые являются самой основной единицей информации. Бит может быть либо 0, либо 1, и именно на этих 0 и 1 основаны все более сложные компьютерные коды. В квантовом компьютере используются "кубиты". Они могут быть как 0, так и 1, находиться в состоянии суперпозиции.

Суперпозиция позволяет квантовым алгоритмам использовать другие квантовые явления, такие как квантовая запутанность. Это предполагает запутывание кубитов таким образом, что они образуют единую систему. Тогда, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга, можно будет узнать состояние одного кубита, измерив состояние другого, запутанного с ним. Этот принцип необходим для всех квантовых вычислений. Интерес квантового компьютера заключается в огромной вычислительной мощности, которую он может развернуть.

Атомы, захваченные лазерами

Итак, что же представляют собой эти "кубиты" в конкретном смысле? Это атомы, которые "организованы" различными способами так, что они взаимодействуют друг с другом и помещаются в квантовые состояния, необходимые компьютеру. Используются различные типы атомов и различные системы. Например, существуют "магнитные ловушки" для положительных ионов или сверхпроводники. В этом исследовании ученые решили использовать так называемые "нейтральные атомы", то есть атомы, не имеющие электрического заряда, ни положительного, ни отрицательного.

Без заряда нет необходимости в электромагнитной ловушке для удержания атомов в нужной конфигурации. Вместо этого ученые использовали "ловушку" на основе лазеров. Концентрация лазеров "притягивает" атомы, позволяя им организовываться, в данном случае в своеобразную "решетку". Это также позволяет охлаждать их.

По мнению ученых, использование этих нейтральных атомов в квантовом компьютере может быть полезным по нескольким причинам. Они имеют одинаковые характеристики, поэтому проще использовать большее их количество. Они имеют большое время когерентности (время, в течение которого можно поддерживать квантовую суперпозицию), и их можно "поймать в ловушку" в нескольких измерениях. Наконец, они очень хорошо запутываются. Поэтому эти атомы являются очень хорошими кандидатами для квантовых компьютеров.

Ученые также объясняют, что можно стимулировать атомы, чтобы реорганизовать их по своему усмотрению, что позволяет использовать их в различных целях. Именно в этом смысле они утверждают, что создали "программируемый" квантовый компьютер, поскольку он не предназначен для одноразового использования.

Увеличение времени работы в 500 раз

Новшество, которое следует выделить в эксперименте, представленном учеными, — это время работы компьютера. Очень сложно поддерживать состояние квантовой суперпозиции в течение длительного времени. "Квантовые биты (кубиты) хрупки и разрушаются, если они не изолированы от окружающего шума, но должны взаимодействовать с другими кубитами для выполнения вычислений", — поясняется в исследовании.

Однако команде удалось заставить компьютер работать более 600 мкс, что в 500 раз дольше, чем предыдущие попытки создать суперпозиционное состояние с помощью нейтральных атомов. Еще один удивительный факт заключается в том, что им удалось провести настоящий химический расчет. Среди прочего, ученые утверждают, что им удалось определить энергию молекулы водорода.

Конечно, представленные эксперименты еще далеки от создания действительно функционального квантового компьютера, но "они представляют собой важный шаг на пути к разработке процессоров на основе кубитов нейтральных атомов", — говорят ученые.

По их мнению, для совершенствования процесса потребуются технологические усовершенствования лазеров, включая "улучшенное лазерное охлаждение для достижения основного состояния движения атомов, пространственное формирование оптических управляющих лучей для уменьшения ошибок затвора, оптимизацию параметров оптической ловушки для улучшения локализации и когерентности, а также более высокую мощность лазера для уменьшения рассеяния от промежуточного состояния".

Однако эта команда не единственная, кто претендует на исследование нейтральных атомов в квантовых компьютерах. Область квантовых компьютеров является предметом огромной конкуренции. "Во время завершения этого исследования нам стало известно о связанной работе, которая демонстрирует кодирование логических кубитов с помощью архитектуры комплементарных нейтральных атомов", — уточняют ученые.

Помните недавний случай, когда Джастин Трюдо (Justin Trudeau) своей вдохновенной речью вызвал аплодисменты удивлённых журналистов и учёных во время, казалось бы, заурядной пресс-конференции.

Между тем, всё начиналось вполне безобидно: премьер выступал в Институте теоретической физики в Ватерлоо, провинция Онтарио (Perimeter Institute in Waterloo, Ontario), озвучивая намерение правительства увеличить финансирование этого научного центра.

Когда настало время вопросов из зала, один из журналистов предложил главе правительства объяснить принцип действия квантового компьютера.

Джастин начал так: «Несомненно, многие из вас умнее меня, но я точно знаю, что .

После того, как он закончил свой рассказ о принципах действия квантового компьютера, зал аплодировал ему стоя.

А что мы сегодня знаем по теме квантового компьютера?

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики, которую по праву можно назвать самым сложным разделом физики. Квантовая механика зародилась в начале 20-ого века, и изучает поведение квантовых систем и ее элементов. Квантовая частица может находиться в нескольких местах и состояниях одновременно, поэтому по определению квантовая механика полностью противоречит общей теории относительности. Но давайте не будем углубляться в науку, а вернемся к нашей главной теме — квантовому компьютеру.

В начале века выяснилось, что использование электрических схем для создания вычислительных устройств имеет свои границы, и все они практически были достигнуты. Сейчас же перед человечеством встают все новые и новые задачи, для решения которых классических компьютеров будет недостаточно. Самый простой пример такой задачи — это разложение больших чисел на множители. Для этой цели было построено большинство криптографических систем. Это покажется банальным но, если бы кому-то удалось быстро разложить большое число на простые множители, то для него стали доступны транзакции во всех банках мира.

В настоящее время IBM пытается сделать что-то подобное: компания привлекает внимание обывателей к своему проекту, ведь её специалисты ведут разработку вычислительного устройства и высокоуровневого языка программирования для этого вида компьютеров. Они приглашают всех желающих поучаствовать в их работе.

Компания заявила о запуске первого облачного сервиса на основе экспериментального квантового процессора. Новая платформа называется Quantum Experience.

Предполагается, что онлайн-сервисом смогут пользоваться все желающие: студенты, энтузиасты-любители и даже серьёзные учёные. В настоящее время, чтобы получить доступ к облаку, необходимо подать заявку и получить допуск (его ещё могут и не дать!). Только получив допуск, пользователи смогут запускать алгоритмы и тесты. Словом, работать с кубитами.

Цель программы Quantum Experience - более детальное изучение возможностей платформы на базе 5-кубитного процессора и поиск новых способов применения квантовых вычислений. По сути, компания даёт в руки инструмент и возможности, а как их использовать, пользователь определяет уже сам.

В то же время они верят, что когда-нибудь им удастся создать 100-кубитный квантовый процессор, который будет способен обрабатывать широкий спектр алгоритмов, чтобы решать практически любые вычислительные задачи.

Элементная база квантового компьютера, созданного в IBM - вычислительные элементы (кубиты), выполненные из материала, обладающего свойством сверхпроводимости при температуре, близкой к 0°С.

Кроме того, вероятно, инженеры IBM нашли способ изолировать от внешних воздействий квантовую систему, которая используется в их устройстве, ведь необходимо, чтобы она сохраняла состояние квантовой когерентности достаточно длительное время, не меняя бесконтрольно своё квантовое состояние (когерентность - свойство компьютерных систем, в которых два или более процессора или ядра имеют доступ к общей области памяти).

Зачем всё это нужно?

У вас вполне может возникнуть резонный вопрос: для чего всё это вообще нужно? Дело в том, что, как полагают некоторые эксперты, использование квантового регистра для произведения расчётов, позволит значительно ускорить процесс обработки данных по сравнению с обычным регистром.

Таким образом, физическая реализация этой концепции, т.е построение квантового компьютера в виде реального физического прибора, является фундаментальной задачей современной физической науки.

Также необходимость в квантовом компьютере обусловлена надобностью проведения исследований методами физики сложных многочастичных систем, например, биологических.

Что касается целей IBM, то им это нужно, чтобы не потерять инициативу в борьбе с конкурентами на рынке инновационных технологий. Так, по словам представителей компании, со временем они выпустят онлайн-интерактивные пособия, чтобы помочь потенциальным заказчикам понять, чем квантовая система отличается от двоичной.

Что такое квантовый компьютер?

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году.

Принцип действия квантового компьютера: вычислительное устройство использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных, а его регистр основан на использовании кубита (квантового бита) - наименьшего разряда или наименьшего элемента для хранения информации в квантовом компьютере.

Архитектура квантовых компьютеров

Таким образом, обычные компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока), а квантовые - более комплексные машины, способные обрабатывать намного больший объём информации за один бит, чем обычные компьютеры.

Совокупность квантовых приборов, используемых для построения квантовых информационных систем, можно назвать квантовой элементной базой, т.е. компьютером.

Отмечу, что по сравнению к квантовыми процессорами, элементная база современных информационных систем построена на лампах, транзисторах, фотоэлементах, являющихся классическими, в том смысле, что их параметры (ток, напряжение, излучение) являются классическими величинами (величины классической механики).

Исправление ошибок — основная проблема квантовых компьютеров

Кубиты изначально по своей природе нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Чтобы избавиться от этого, квантовый процессор нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов. Как это сделать? — пока остается загадкой. По словам экспертов, 99% мощности такого компьютера уйдет на исправления ошибок, и лишь 1% хватит для решения любых задач. Конечно, от ошибок не удастся избавиться полностью, но если минимизировать их до определенного уровня, квантовый компьютер сможет работать.

Кто ещё работает в этом направлении?

Это началось очень, очень давно. В 9 вечера 29 ноября 1969 года на экране новенького компьютера Honeywell DDP-516, находившегося на территории кампуса Стэнфордского университета (Калифорния, США), внезапно высветились две буквы LO. При этом никто из находившихся рядом инженеров не прикасался ни к каким устройствам ввода. Откуда же возникли эти загадочные буквы и что они означали?

Появление первой сети

Информация пришла издалека. За 600 километров от Стэнфорда, в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса, оператор точно такого же цифрового компьютера пытался удаленно подключиться к компьютеру в Стэнфорде, вводя последовательно буквы слова LOGIN. Передача первых двух букв по существующим телефонным линиям компании AT&T прошла успешно, но на третьей букве система дала сбой. Часом позже операцию передачи данных по сети удалось довести до успешного конца, что положило начало первой компьютерной сети в истории человечества, ARPANET.

Начав всего с двух терминалов, сеть ARPANET стремительно развивалась и к 1973 году насчитывала уже несколько десятков серверов, находившихся не только на территории США, но и в Европе. Еще десятилетие спустя, параллельно с ARPANET (финансируемой Агентством министерства обороны США по перспективным исследованиям, DARPA) была запущена сеть Национального научного фонда США (National Science Fund, NSF), NSFNet, ставившая целью эффективный обмен информацией между научными институтами и совместный доступ к вычислительным ресурсам (в том числе, суперкомпьютерам). Благодаря новым технологиям сеть NSFNet была существенно быстрее своей предшественницы, а количество подключенных к ней компьютеров росло невероятными темпами. В 1990 году она поглотила морально устаревшую ARPANET, а еще через пару лет стала основой существующей ныне сети Интернет.

Сеть объединяет

Перечислять все достоинства интернета (не говоря уж о его недостатках) не имеет большого смысла: за три десятилетия своего существования эта технология прочно вошла в нашу повседневную жизнь, проникнув практически во все ее сферы. Появление не только самих персональных компьютеров, но и их объединение в глобальную сеть позволило создать совершенно новые области экономики и кардинально изменить работу с информацией. Даже эти строки вы вряд ли бы прочли, не будь у вас доступа в интернет.

Но причем здесь квантовые технологии? Провести поверхностную аналогию несложно — если мы смогли объединить в сеть классические компьютеры, то можно точно так же соединить между собой и квантовые компьютеры. Один кабель сюда, другой туда, — и, вуаля, квантовый интернет готов! Звучит не сложнее, чем настройка нового WiFi-роутера, не правда ли? Дьявол, как обычно, кроется в деталях.

С одной стороны, как мы писали во второй статье нашей серии, еще в 2016 году компания IBM открыла доступ к прототипам своих квантовых компьютеров для всех желающих через интернет. За прошедшие пять лет количество подключенных к сети квантовых компьютеров IBM перевалило за десяток, а география их размещения охватила несколько континентов. Можно ли тогда считать, что квантовый интернет уже создан? Увы, не все так просто.

Несмотря на то что устройства компании IBM (и ее конкурентов по квантовой гонке) могут передавать данные по сети Интернет, при этом происходит преобразование квантовых битов (кубитов) в классическую информацию — привычные нам нули и единицы. В процессе такого преобразования, к сожалению, теряются квантовые свойства кубитов – суперпозиция и запутанность, которые и давали кубитам преимущество перед битами классическими. Соответственно, проводить таким образом распределенные квантовые вычисления на нескольких, объединенных в сеть, квантовых компьютерах не получится — заданное квантовое состояние будет существовать только внутри каждого из устройств, но не будет распределено между ними.

С другой стороны, если бы мы могли каким-то образом избежать описанного выше преобразования и напрямую передавать по сети сами кубиты, сохраняя их квантовое состояние на пути от одного компьютера до другого, то это позволило бы проводить полномасштабные квантовые вычисления на существующих прототипах квантовых процессоров с десятками кубитов. Ведь, соединив в одну сеть множество таких устройств, постепенно появляющихся в лабораториях по всему миру, мы могли бы достичь суммарной вычислительной мощности (количества надежно работающих кубитов) намного превосходящей каждый отдельный процессор в отдельности и достаточной для решения реальных задач (в том числе, и для исполнения алгоритма Шора).

Конфиденциальный доступ

Еще одно достоинство такой квантовой сети, способной передавать кубиты между своими узлами, это возможность защищенного доступа к ресурсам любого квантового компьютера, находящегося в облаке. Это значит, что, подключившись к квантовому компьютеру по квантовому каналу, можно не только исполнять на нем произвольные квантовые алгоритмы и считывать результаты их выполнения, но и делать все это без раскрытия каких-либо пользовательских данных. Таким образом, квантовый компьютер может производить операции с квантовыми данными, ничего не зная ни про исполняемый им алгоритм, ни про переданные ему данные. Единственное дополнительное требование к такой системе (помимо квантового канала связи) – наличие пользовательского терминала, способного производить однокубитные операции.

Наконец, можно еще больше упростить такую систему, убрав из нее квантовый компьютер и оставив лишь пару квантовых терминалов для генерации и считывания одиночных кубитов, соединенных между собой квантовым каналом. Даже такая упрощенная система квантовой коммуникации обладает одним гигантским преимуществом по сравнению с существующими классическими сетями, и дело тут, опять же, в безопасности передаваемых данных. Как мы рассказывали во второй статье серии, создание квантового компьютера с возможностью запуска алгоритма Шора ставит под угрозу защищенную передачу зашифрованных данных в интернете (причем потенциально не только передаваемых прямо сейчас или в ближайшем будущем, но и в принципе всех, передававшихся когда-либо по Сети). В отличие от классических протоколов шифрования, безопасность данных в квантовой коммуникации обеспечивается не вычислительной сложностью математических операций, но самими фундаментальными свойствами квантовых систем – суперпозицией и запутанностью, поэтому квантовые компьютеры таким сетям не страшны.

Фотоны – лучшие друзья

Подобная концепция квантово-защищенной передачи данных появилась еще в середине 80-х годов и получила свою первую практическую реализацию в 1989 году, когда в лаборатории компании IBM был создан прототип оптического устройства, передававшего и принимавшего зашифрованные фотоны на расстоянии полуметра. С самого начала было понятно, что именно передача данных с помощью света — наиболее простой способ реализации квантовых сетей. Простота этого метода очевидна, ведь фотоны сами по себе являются квантовыми объектами, а их квантовое состояние можно зашифровать, например, в их поляризации — направлении колебаний электромагнитного поля в световом пучке.

Еще один аргумент в пользу фотонов — существование разветвленной сети каналов связи на основе стеклянного оптоволокна, по которому передается всё больше данных в интернете. Еще не так давно это было промышленной технологией, но теперь оптоволоконные кабели зачастую могут быть протянуты напрямую до роутера в квартире, обеспечивая невиданные прежде скорости передачи данных, вплоть до гигабитов в секунду. Теоретически эти же самые линии связи могут быть использованы и для развертывания квантовых сетей, нужно лишь добавить к источникам и детекторам фотонов возможность кодирования-декодирования их поляризации.

Как вы, возможно, уже догадались, речь идет о передаче квантовых сигналов на большие расстояния через спутниковые каналы связи. В такой схеме основные потери фотонов приходятся на первые 5-10 километров распространения в атмосфере, а дальше воздух становится настолько разреженным, что потерями можно практически пренебречь. Получается, что даже несмотря на в несколько раз большие потери в нижних слоях атмосферы, по сравнению с оптоволокном, мы получаем гигантский выигрыш при передаче сигнала на сотни километров. При этом в данном методе практически отсутствует ограничение на дальность передачи квантового сигнала, так как основной путь фотоны проходят в космосе.

Не усилителем, так повторителем

Именно для решения этой проблемы в 1998 году была предложена гениальная идея квантовых повторителей, основанная на опубликованном за несколько лет до этого методе квантовой телепортации. В отличие от широко распространенного в научной фантастике термина, подлинная квантовая телепортация, увы, не может мгновенно перемещать физические объекты. Зато, используя квантовую запутанность (entanglement), с ее помощью можно мгновенно переносить произвольное квантовое состояние с одной частицы на другую, причем находящуюся на произвольном удалении от первой. Первая экспериментальная демонстрация квантовой телепортации состояния фотонов была проведена в конце 1990-х группой австрийских физиков в Инсбруке, а с начала 2000-х этот метод стал повсеместно использоваться для целей квантовой коммуникации.

Упрощенная схема протокола квантовой телепортации заключается в следующем. Пара запутанных фотонов, сгенерированных нелинейным кристаллом под действием лазерного импульса, разделяется между собой и отправляется по двум оптическим каналам связи в точку А и Б, соответственно. В точке А уже приготовлен в заданном квантовом состоянии (поляризации) другой фотон, состояние которого мы и хотим передать в точку Б. Для этого мы запутываем с прилетевшим от источника фотоном фотон из точки А (выполняем так называемое измерение Белла), при этом второй запутанный фотон из пары, прилетевший в точку Б, мгновенно оказывается в состоянии фотона из точки А, в полном соответствии с правилами квантовой механики.

Как подключать будем?

Отдельного обсуждения заслуживает и интерфейс, посредством которого можно будет подключать устройства к квантовой сети (например, квантовые компьютеры). Для технологических платформ, где контроль над кубитами осуществляется с помощью лазерных импульсов (атомы или ионы в ловушках, интегрированная фотоника, точечные твердотельные дефекты), взаимодействие с фотонами, передаваемыми по оптоволокну, на первый взгляд может не представлять особой проблемы: нужно только подобрать правильную длину волны (частоту используемого света). В реальности большинство квантовых каналов работают в так называемом телекоммуникационном диапазоне инфракрасного спектра (длина волны ~1500 нанометров), в то время как длины волн, используемых для управления кубитами различных типов, разнятся от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Преобразование сигналов между этими длинами волн потребует разработки дополнительных оптических устройств.

Еще интереснее выглядит задача подключения к сети квантовых процессоров на сверхпроводящих кубитах. Большинство из этих систем управляется не оптическими, а микроволновыми импульсами (с частотой порядка гигагерц, что соответствует длине волны в несколько сантиметров). Преобразование сигналов из гигагерцевого диапазона сверхпроводящих кубитов в сотни терагерц телекоммуникационых фотонов требует новых гибридных систем – трансдьюсеров, связывающих вместе несколько мод возбуждения. Например, можно с помощью переменного электрического сигнала в гигагерцевом диапазоне модулировать колебания проводящего микрозеркала, отражающего фотоны инфракрасного света. В свою очередь, падающие на такое зеркало фотоны могут возбуждать и отдельные кванты колебаний (фононы), модулирующие гигагерцовый электрический сигнал. Еще один подход — использование электро-оптических модуляторов на нелинейных кристаллах.

Вот что ответил Naked Science на вопрос о перспективах отрасли Павел Воробьев, исполнительный директор компании — разработчика оборудования на основе квантовой криптографии QRate:

Вместо послесловия

Читайте также: