Квантови изчисления на базата на свръхпроводимост: принципи, проблеми, перспективи

Очаква се внедряването на квантови компютри да предизвика революция в информационната сфера, а също така да са внесат своя решителен принос в разработването на различни технологии. В момента се разработват квантови компютри на различни платформи, като за приоритетни се смятат четири: : йони, свръхпроводници, неутрални атоми и фотони . В днешната публикация ще разгледаме тези, които се разработват на базата на свръхпроводимостта, принципите на които те работят, проблемите и перспективите на тяхното развитие.

По какво квантовият компютър се различава от класическия?

Както квантовите, така и класическите компютри се основават на принципите на квантовата физика. Основният елемент на съвременните процесори е транзисторът, чийто принцип на работа коректно се обяснява от гледна точка на квантовата механика. Основната разлика между квантовите и класическите изчисления обаче се крие във фундаментално различната структура на логиката на обработка и представянето на информацията. Ето защо е невъзможно директното използване на класическите алгоритми с квантов хардуер и успоредно със създаването на квантов компютър е необходимо да се разработват и алгоритми за него.

Какво представлява кюбита?

Основният логически обект при класическото изчислително устройство е бит – физическа система в състояние 0 или 1, в която могат да се извършват логически операции. В квантовия компютър единицата информация е квантов бит или кюбит. Може да бъде в състояния 0 и 1, а също и с известна вероятност в двете състояния едновременно, което се нарича суперпозиция. В допълнение, квантовите системи могат да бъдат в заплетено състояние, тоест състоянието на един кюбит да зависи от състоянието на друг. Именно феномените на суперпозицията и квантовото заплитане създават уникални възможности за изчисления.

Как да създадете кюбит?

На практика кюбит може да бъде реализиран с помощта на различни физически ефекти, а една от най-успешните платформи за квантови изчисления в момента е свръхпроводимостта.

Идеята за създаване на кюбит с помощта на свръхпроводници е следната: можем да вземем обикновена електрическа осцилаторна верига, състояща се от капацитет и индуктивност, позната на всички от училище. Ако такава верига се намали до размери от порядъка на няколко десетки микрометра и се охлади до ултраниски температури, тя придобива квантови свойства. Това означава, че системата може да бъде само в строго определени равноотдалечени енергийни състояния. За да илюстрираме това, можем да използваме следната аналогия: представете си, че се изкачвате по лек наклон и можете да спрете на всяко ниво. За разлика от това, когато изкачвате стълби, можете да стъпвате само на определени стъпала, които са предварително изградени от строителя. По същия начин една квантова система може да съществува само на определени енергийни нива.

Следователно трябва да се научим как да управляваме тази система. Можем да подадем електрически импулси към колебателния контур, носещи енергията, необходима за прехода между отделните състояния (прескачането между стъпалата). Но тъй като разстоянията между съседните нива в системата са еднакви, възниква неяснота: например един и същ импулс може да предизвика преход от първо ниво както към нулевото, така и към второто, което е нежелателно.

В тази на пръв поглед безнадеждна ситуация на помощ идва ефектът на Джоузефсън. За да се разбере същността му, трябва да си представим система от два метални проводника с диелектрик между тях. Поради прекъсване на веригата електрически ток няма да тече през такава система. Ако обаче използваме свръхпроводящи метали и много тънък диелектричен слой от няколко нанометра, тогава при много ниски температури през такава връзка ще започне да протича електрически ток.

Този физически ефект е кръстен на британския физик и Нобелов лауреат Брайън Джоузефсън, а контактът свръхпроводник-изолатор-свръхпроводник се нарича Джоузефсонов контакт. Особеността на такъв контакт се състои в неговите нелинейни свойства, което позволява промяна на потенциала на системата и, следователно, да направим така, че разстояния между нивата в квантовата система да са различни. По този начин чрез изпращане на сигнал към системата, съответстващ на разликата в енергиите на избраните състояния, можем да възбудим прехода между нивата, от които се нуждаем.

Често наричат ефектът на Джоузефсън сърцето на свръхпроводящите кюбити, а самите кюбити като изкуствени атоми. Чрез промяна на конфигурацията и параметрите на електрическата осцилаторна верига е възможно значително да се промени енергийният спектър на системата, което позволява да се контролират нейните свойства.

Какви проблеми решава един квантов компютър?

Сега, когато знаем какво представлява кюбита и как да създаваме кюбити, е важно да разберем за какви задачи ще бъдат най-ефективни квантовите компютри. На първо място, това са задачи за оптимизация и криптиране. Големи корпорации вече прилагат квантови алгоритми за решаване на логистични проблеми. Едно от най-революционните приложения ще бъде използването на квантови компютри в областта на науката за материалите и химията. Концепцията за квантовите изчисления първоначално е разработена за моделиране на сложни квантови системи и в подобни задачи квантовите компютри са много по-ефективни от класическите. И накрая, заслужава да се отбележи нововъзникващата област на квантовото машинно обучение, където квантовите компютри могат значително да надминат класическите, ако се използват правилно. Тази посока изглежда най-успешна в краткосрочен план, тъй като за решаването на такива проблеми са необходими само няколкостотин кюбита, докато за решаването на други проблеми ще се изисква значително повече мощност.

Достигнато ли е вече квантово превъзходство?

Да, през 2019 г. изследователски екип на Google изпълни алгоритъм на своя 53-кубитов процесор, което отне минути, , докато на класически компютър това би отнело години. Струва си да се уточни обаче, че този алгоритъм решава специфичен математически проблем, който няма практическо приложение. Но остава фактът, че квантовият компютър е показал своята ефективност в сравнение с класическия.

Тази работа предизвика широк отзвук в световната научна общност. През следващите няколко години бяха предложени подобрения в методите за решаване на този проблем с класически свръхкомпютър, намалявайки времето за изпълнение от 10 години на няколко седмици. Но така или иначе това е значително по-дълъг период от трите минути, необходими на квантовия процесор. През 2021 г. китайски изследователи внедриха подобен алгоритъм на свръхпроводящия процесор Zuchongzhi, използвайки само три кубита повече от Google. Дори с подобрен алгоритъм и най-добрия класически суперкомпютър ще са необходими около 8 години за изпълнение на новата задача.

Днес учените са изправени пред нова цел: да покажат, че квантовият компютър може да решава не само „изкуствени“ проблеми по-бързо от класическия, но и да демонстрира квантово превъзходство в приложни проблеми.

Как да се справим с квантовите грешки?

Основната пречка за практическото приложение на квантовите компютри е недостатъчната точност на квантовите операции. Съвременните кюбити правят грешки средно веднъж на всеки хиляда операции, докато алгоритмите изискват значително по-висока точност.

Борбата с квантовия шум в момента е приоритет за много от водещите научни лаборатории по света. Един от най-обещаващите начини за решаване на този проблем са кодовете за квантова корекция на грешки. Това са специални алгоритми, при които част от физическите кюбити съхраняват информация за така наречените логически кюбити, а другата част се използва за идентифициране и коригиране на възникнали грешки.

Ако физическите кюбити са достатъчно качествени, тогава тези, участващи в корекцията, могат да се използват за подобряване на качеството на съхранение и обработка на квантова информация. През лятото на 2024 г. същият изследователски екип на Google публикува документ, демонстриращ експоненциално потискане на квантовите грешки при използване на по-голям брой физически кюбити. Това може да се счита за експериментално потвърждение, че можем технически да мащабираме свръхпроводящите квантови системи до размери, подходящи за полезни изчисления.

Какво можем да очакваме от квантовите изчисления през следващите пет години?

Значителен напредък в развитието на квантовите компютри може да се случи през следващите пет години. Със сигурност ще наблюдаваме подобрения в прецизността на квантовите операции, увеличаване на броя на кюбитите в процесорите и разработване на методи за коригиране на грешки.

Експертите прогнозират, че квантовата надмощие ще бъде демонстрирано и за приложни задачи, такива като обработка на данни с помощта на методи за машинно обучение, разработване на нови материали и моделиране на химически реакции.

Освен това се предполага, че квантовите алгоритми ще започнат да намират по-широко приложение в различни индустрии, включително финансовите технологии и изкуствения интелект. Това ще създаде нови възможности както за научни изследвания, така и за индустрията.