Для квантовых компьютеров нашли соединительные «провода»

Прототип «сердцевины» ионного модуля квантового компьютера. Фото из журнала Science Advances, 17 vol. 3 № 2

Квантовый мир начинался в Англии. Там в начале XX века Эрнст Резерфорд предложил орбитальную модель атома, а его сотрудник, один из основоположников рентгеновской спектроскопии Генри Мозли дал объяснение номерам элементов в таблице Менделеева. Советский физик Лев Ландау ездил в Копенгаген к Нильсу Бору, постулировавшему скачки электронов после получения кванта энергии, против чего активно выступал Альберт Эйнштейн. Тем не менее немцы открыли расщепление атомного ядра, подтвердив силу и значение своей квантовой физики.

В войну, когда ученые по обе стороны Ла-Манша оказались противниками, англичане захватили немецкую шифровальную машинку «Энигма». Подобрать ключ к ней англичанам удалось только благодаря созданному Тьюрингом «Колоссу» – прототипу будущей ЭВМ ЭНИАК, занимавшего со своими 150 телевизионными трубками целый подвал. Только после изобретения в 1948 году полупроводникового транзистора началась эра миниатюризации, для которой до сих пор справедлив знаменитый эмпирический закон Гордона Мура (плотность транзисторов на одном кристалле интегральной схемы (чипе) удваивается приблизительно каждые 20–24 месяца).

Но при всей своей сверхминиатюризации современные чипы и основанные на них супер-ЭВМ с их быстродействием принципиально не могут решать огромное число задач. В теории на это способны только квантовые компьютеры. На роль рабочих носителей в квантовых компьютерах «пробовались» фотоны и электроны, атомы и электрически заряженные ионы. Но дальше небольших элементов дело не шло. Узким местом для построения крупномасштабного квантового компьютера оказывались соединения. Недаром существует шутливая поговорка: электроника – это наука о контактах. До сих пор для этой цели использовали хорошо освоенное промышленностью оптоволокно. Но и этот вроде бы идеальный материал оказался не без изъяна.

Все уже привыкли к доминированию разработок, которые предлагают многочисленные высокотехнологичные фирмы и фирмочки американской Силиконовой долины. Однако в данном случае и англичане решили тряхнуть стариной и вспомнить о своем лидерстве в начале квантовой эпохи. Университет Сассекса, расположенный в курортном Брайтоне, сообщил о создании первого квантового компьютера промышленного масштаба. Успех был достигнут благодаря участию компании Google и университета Санта-Барбары, японских и датских исследователей, а также специалистов университета в немецком Зигене. Английские авторы приглашают к сотрудничеству ученых со всего мира.

Успех в создании исходного модуля был достигнут с помощью ионов, пойманных в микроволновых ловушках. Причем исследователи отказались от волоконной оптики. Вместо нее в качестве носителя использовались электрические поля, которые переносят ионы от одного модуля к другому. Новый подход увеличил скорость «общения» между модулями в 100 000 раз (!) по сравнению с нынешней оптоволоконной технологией.

Руководитель английской команды «пожаловался», что «вот уже много лет все твердят, что построить нормальный квантовый компьютер невозможно, мы же показали, что это не так». Его коллега подтвердил, что это, конечно, «огромный технический вызов, но теперь можно решать практические инженерные задачи».

Новые квантовые модули контролируют операции отдельных единиц, квантовые «врата» которых связаны с помощью длинноволновых (микроволновых) «проводников». Такой подход позволяет монтировать компьютерную архитектуру больших размеров, требующую эффективных кодов исправления ошибок. Это позволит производить операции, устойчивые к естественным искажениям. Ученые сообщили, что их модули можно использовать и с фотонными взаимосвязями.

Упоминание больших размеров сделано неспроста. При всей миниатюризации ионных ловушек и микроволновых излучателей первый квантовый компьютер будет не меньше «античного» ЭНИАКа. Дело в том, что, подобно современным атомным часам, высокие технологии требуют громоздких вакуумных установок, поскольку ионы сохраняют свои уникальные свойства лишь в условиях высочайшего разряжения. Тем не менее история разработки компьютеров, томографов и атомных часов показывает, что само их создание подхлестывало мысль инженеров и специалистов в области физики твердого тела. Все-таки век, прошедший с момента рождения квантовой физики, не прошел даром.