Как работает квантовый компьютер?

И в чем секрет квантового превосходства
14.02.2021

Что это?

Схема квантового компьютера со сверхпроводящими кубитами.

Именно процессоры на основе таких кубитов используются в большей части коммерчески доступных квантовых компьютеров. Популярность сверхпроводящих кубитов связана с простотой их изготовления: технически они похожи на классические полупроводниковые микросхемы и поэтому производятся по уже отлаженным процедурам.

Сверхпроводники - это материалы, у которых при очень низкой температуре полностью исчезает электрическое сопротивление и появляются свойства диамагнетиков. Состояние вещества в сверхпроводниках описывается только квантовой механикой, классического объяснения сверхпроводимости не существует. Большинство современных сверхпроводящих кубитов устроены по принципу колебательного контура: это электрическая цепь, состоящая из конденсатора, катушки индуктивности и наноразмерных разрывов (джозефсоновских переходов).

Джозефсоновский контакт - твердотельный сверхпроводниковый наноэлемент. В нем через изолирующую прослойку между двумя сверхпроводниками протекает туннельный ток. Благодаря наличию джозефсоновских контактов кубит ведет себя как квантовый аналог бита, находясь в суперпозиции условных нуля и единицы.

Квантовый процессор помещен в большой, заполненный вакуумом корпус, снабженный защитой от любого радиоактивного и любого другого электромагнитного излучения. Все эти меры необходимы для борьбы с декогеренцией - потерей кубитами возможности выполнять вычисления из-за взаимодействия с различными факторами внешней среды. Корпус подключен к холодильной установке, охлаждающей компьютер с помощью жидкости до очень низких температур, вплоть до -273 °С, стремясь к нулю кельвинов.

Полученная в ходе работы квантового компьютера информация всегда проходит через усилители сигнала кубита. Кубиты наделены очень малой энергией, поэтому без усилителя очень сложно корректно считать данные. Вместе с этим работа усилителя неизбежно добавляет шумы, изменяющие состояние квантовой системы. Поэтому одна из задач разработчиков - это уменьшение шумов, создаваемых усилителем.

Наконец, ключевым компонентом квантового компьютера является конвертер аналогового сигнала в цифровой. Дело в том, что взаимодействовать с квантовой системой возможно только через интерфейс классических приборов. При считывании данных с кубитов их квантовое состояние коллапсирует до строго определенного, а затем переводится в классическую битовую строку, последовательность нулей и единиц, которая поступает в хранилище данных для дальнейшей обработки на обычном компьютере.

Чем это интересно для науки?

Квантовыми компьютерами на сверхпроводниках достаточно сложно управлять. К каждому кубиту необходимо подвести высокочастотный провод, коаксиальный кабель, по которому можно посылать сигналы. Соответственно, чем больше кубитов, тем больше проводов, которые нужно подсоединить к такой микросхеме. И при этом сигналы одного провода могут портить сигналы, передающиеся по соседним кабелям. Такая сложность требует изящных инженерных решений.

Кроме того, сверхпроводящие кубиты достаточно серьезно уязвимы к декогеренции. Именно поэтому однажды на смену им могут прийти компьютеры, основанные на фотонах и линейных оптических элементах. В таких системах практически отсутствуют источники шума, кроме внутренних потерь на элементах, и они позволяют с легкостью создать десятки тысяч кубитов в запутанном состоянии уже на данном этапе развития технологий.

Почему это важно знать?

Безусловно, описанный выше тип устройства квантовых компьютеров несовершенен. Тем не менее именно так был устроен компьютер от Google, с помощью которого было продемонстрировано квантовое превосходство над обычными суперкомпьютерами. Это означает, что квантовые системы уже сейчас способны выполнять некоторые задачи за очень небольшие сроки, тогда как классическим на это могут потребоваться месяцы и даже годы.

Источник: ПостНаука

Читайте другие наши материалы