Космический холод
Сердце исследовательской установки, на которой проводятся эксперименты с кубитами, — криостат, способный создавать чудовищно низкие температуры в десятки милликельвинов. Столь низкие температуры необходимы не столько для создания сверхпроводимости (некоторые материалы демонстрируют нулевое электрическое сопротивление при температуре жидкого азота 77 К), сколько для оберегания кубита от температурных шумов. Ведь тепло — это не что иное, как энергия материалов, находящихся рядом. Этой энергии вполне достаточно, чтобы повлиять на состояние квантового объекта.
Для создания сверхнизких температур используется криостат последнего поколения на импульсных трубках. Искомое состояние достигается в несколько этапов. Сначала температура внутри прибора опускается до 4 К — температуры сжижения гелия. В резервуарах криостата находится смесь двух изотопов гелия — гелия-4 и гелия-3. Смесь начинает циркулировать в змеевике. В результате процеживания через узкий канал и последующего расширения ее температура падает ниже 2 К.
Смесь попадает в камеру растворения. Гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние, а гелий-3, оставаясь жидким, образует пленку на его поверхности. С одной стороны, гелий-3 начинает откачиваться с поверхности, а с другой — растворяться в гелии-4. Этот процесс эквивалентен интенсивному тепловому расширению, благодаря чему температура падает до сотых долей кельвина. Именно с камерой растворения соединяется кубит.
Цель работы Кирилла Шульги и Евгения Глушкова — со-здать совершенную технологическую среду для квантовых исследований. Явление квантовой сверхпроводимости позволило располагать кубиты на обычных чипах и управлять ими электрическим способом, в то время как другие методы физической реализации квантовых компьютеров требуют управления с помощью лазеров и даже отдельных фотонов. Квантовые исследования никогда не были так доступны, как сейчас.
Ученые борются за время жизни кубита, точнее его состояния. Если первые кубиты жили считаные наносекунды, то сегодня их состояние может оставаться стабильным в течение десятков микросекунд. Живучесть кубитов имеет критическое значение для квантовых вычислений — ведь и на придание им начальных состояний, и для работы алгоритмов, и для считывания показаний необходимо время. Большая стабильность позволит объединять больше кубитов и применять более сложные алгоритмы. А зависит время жизни, прежде всего, от степени защищенности кубита от внешних шумов.
Ближайшие эксперименты Евгения и Кирилла связаны с разработкой новых чипов, на которых кубиты смогут взаимодействовать между собой. Трудно представить, но именно физическое расположение кубитов на чипе может определить эффективность и гибкость их взаимодействия. Так что в захватывающей гонке за квантовым компьютером теперь можно делать ставки и на российскую команду.
Специальный инструмент
Бытует мнение, что квантовые вычислительные машины могут стать следующим поколением компьютеров с несравнимо большей производительностью и занять место в наших домах и офисах. Это не совсем так. Область применения квантовых компьютеров ограничена рядом специфических задач. Их стихия — задачи, связанные с перебором вариантов, и моделирование многовариантных систем. На сегодняшний день единственный квантовый алгоритм, воплощенный в реальном эксперименте, — это алгоритм факторизации (разложения на простые множители) Шора.
Между прочим, для классического компьютера эта задача невыполнима за разумное время (сопоставимое с человеческой жизнью), и на этом строится большая часть современной криптографической защиты (электронные подписи, сертификаты подлинности сайтов, расчеты по кредитным картам). Если квантовый компьютер будет построен, все эти технологии отправятся на пенсию.