Современная электроника №7/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 27 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 и в лаборатории искусственных кван- товых систем МФТИ, разрабатывают- ся квантовые интегральные схемы на основе кубитов из сверхпроводников (рис. 2) [24]. Учёные из Российского квантового центра и Физического института име- ни П.Н. Лебедева РАН создали прото- тип квантового компьютера на ионах, используя систему из четырёх куби- тов и оригинальную технологию мас- штабирования квантовых процессо- ров с использованием многоуровневых носителей информации [25]. В этой связи следует отметить рабо- ты, выполненные под руководством одного из основателей «Российско- го квантового центра» (RQC), выпуск- ника МФТИ, профессора Гарвардско- го Университета Михаила Лукина [26]. Фактически группа Михаила Луки- на разработала первый ионный кван- товый компьютер, который стал про- тотипом для многих вариантов QC, работающих в разных лабораториях мира. Использование модели компью- тера с квантовым симулятором атома Ридберга позволило группе Михаила Лукина решить ряд вопросов, связан- ных с проблемой квантовых фазовых переходов (Quantumphase transitions – QPTs) в динамических изолированных, неравновесных квантовых системах в реальном масштабе времени. В частно- сти, был экспериментально подтверж- дён квантовый механизм Киббла–Зуре- ка (Kibble–Zurek mechanism – QKZM) для квантовых фазовых переходов изинговского типа (Ising-type QPT). Эти работы являются характерным приме- ром того, как квантовые компьютеры могут быть с успехом использованы в фундаментальных прикладных иссле- дованиях [27]. Простыми словами о квантовом компьютере Историю развития квантовых ком- пьютеров можно начать отсчитывать от различных событий. На этот счёт существует несколько разных мне- ний [28]. По одной из версий, начало новому направлению было положе- но в 1982 году, когда идея квантового компьютера была высказана выдаю- щимся физиком Ричардом Фейнма- ном (Richard Feynman) в своей знаме- нитой лекции «Моделирование физики на компьютерах». В ней он обосновал идею некоего устройства на базе есте- ственных квантово-механических про- цессов, работающего под управлением классического компьютера КДЛ. Следу- ет особо подчеркнуть, что цель работы Фейнмана заключалась не в том, что- бы разработать новый тип вычисли- тельного компьютера, а в том, чтобы лучше понять разнообразные вариан- ты существования электронов в про- странстве при различных условиях квантовых явлений. Поэтому и возник- ла идея изучения объектов квантовой физики с привлечением самих же этих объектов в исследовательском обору- довании. Такое устройство предлага- лось использовать для создания веро- ятностных моделей квантовых систем и их элементов [29]. Позднее этот прибор получил назва- ние «квантовый компьютер» (quantum computer, QC). Израильтянин Дэвид Дойч (David Deutsch), переехавший в Великобри- танию и работавший в Оксфордском университете, был одним из самых влиятельных квантовых физиков ХХ века. В 1985 году он опубликовал ста- тью, в которой были изложены основ- ные принципы квантовых вычислений, а также было показано, что квантовые компьютеры могут иметь вычислитель- нуюмощность, превышающую вычис- лительную мощность классических компьютеров, и эффективно решать вычислительные задачи, которые не имеют эффективного решения даже на вероятностной машине Тьюринга [30]. Квантовая механика базируется на трудно воспринимаемых парадоксаль- ных абстракциях, которые описывают- ся крайне сложным математическим аппаратом. Очевидно, что существует какая-то идеальная теория микромира. Но пока она нам неизвестна, мы вынуж- дены пользоваться квантовой механи- кой в её текущем состоянии [31]. В при- кладных исследованиях, в принципе, можно обойтись и без теоретических основ, принять на веру, что все постула- ты так или иначе справедливо утверж- даемы одной из интерпретаций, и про- сто молча использовать существующий математический аппарат. Примерно так охарактеризовал своё отношение к классической интерпретации кван- товой механики американский физик David Mermin – «Shat up and calculate» («Перестаньте разглагольствовать и просто займитесь вычислениями») [32]. Иными словами – только формулы и никакой философии. Большинство статей, посвящённых вопросам кванто- вых компьютеров, следуют именно это- му совету. Поэтому люди, не восприни- мающие понятия квантовой механики и незнакомые с её экзотическим мате- матическим аппаратом, сходу отвер- гают эту науку и её выводы вообще. В этой статье нам придётся в мини- мальном объёме привести некоторые ключевые термины из области кванто- вых вычислений. Поэтому автор зара- нее приносит извинение тем людям, которые ненавидят всякие формулы и абстрактные понятия, для которых нет аналогов в реальном мире. В этой ста- тье намеренно не приводятся формулы квантовых вычислений. Для желающих ознакомиться с азами этой непростой науки можно рекомендовать вводный курс [33]. Наименьшая теоретическая единица информации в квантовых вычислени- ях получила название «quantum bit – qubit» (русский перевод – квантовый бит или кубит). Коренным отличием единиц инфор- мации в КДЛ и квантовом компьютере является то, что, в отличие от двоично- го бита с состояниями ноль и едини- ца, кубит имеет третье промежуточное состояние. Это промежуточное неопре- делённое состояние в квантовой меха- нике получило название «quantum superposition – квантовая суперпози- ция». Одним из удачных примеров, исполь- зуемых в литературе для визуализа- ции квантовой суперпозиции куби- та, является брошенная с самолета на большой высоте монетка. Пока моне- та, вращаясь, падает вниз, нельзя ска- зать, в каком состоянии она находит- ся в данный момент – орёл или решка. В этом смысле монета для наблюдате- ля, ожидающего её на земле, находится по отношению к нему в промежуточ- ном состоянии, то есть в суперпози- ции между орлом и решкой. Резуль- тат будет точно известен только тогда, когда монетка упадёт на землю. Мож- но попытаться составить уравнение, описывающее полёт монетки, с учётом законов классической физики, изме- нения скорости вращения монетки с высотой, сопротивления воздуха на разных высотах плюс наложения слу- чайных факторов типа дождя, бокового ветра и т.д. Если ещё больше усложнить задачу и предположить, что с самоле- та был выброшен мешок с монетками и нужно определить, как распреде- лятся монетки на земле в момент наи- меньшего значения их потенциальной энергии, то решение будет трудно най- ти даже с помощью самого современ-