В традиционных компьютерах единицеи? информации является бит, а в квантовых ? кубит. В отличие от традиционного бита кубит в квантовом мире не обязан быть в одном состоянии: он может быть в любои? комбинации из них ? в квантовои? механике это называется суперпозициеи?. Четыре классических бинарных бита имеют 24 конфигурации? в одном из 16 состоянии?. А четыре кубита могут быть одновременно во всех 16 состояниях. Чтобы описать состояние системы из четырех кубит, нужно 16 чисел. И это количество возрастает экспоненциально с каждым новым кубитом. Так, для описания 20 кубитов уже понадобится хранить около миллиона значении? одновременно, а для 300 потребуется больше чисел, чем атомов во Вселеннои?.

Еще одно странное свои?ство кубитов ? запутанность: каждыи? запутанныи? кубит мгновенно реагирует на изменение состояния другого кубита, как бы далеко друг от друга они ни находились. Измерив один запутанныи? кубит, мы можем узнать состояние другого, связанного с ним. Чтобы объяснить это явление людям, незнакомым с квантовои? физикои?, обычно используют сравнение с носками. Представьте, что у вас есть пара квантово связанных носков, разнесенная по разным континентам. Тогда если на одном континенте кто-то наденет носок на правую ногу, то на другом континенте второи? носок мгновенно окажется на левои?.

Квантовыи? компьютер Ильи Семерикова расположен в подвальном помещении ФИАН на Ленинском проспекте и напоминает нагромождение лазеров, линз и камер ? в общем, классическую лабораторную установку из мира квантовои? оптики. На черном фоне монитора выстроились в одну линию 10 светящихся белых точек ? это и есть связанные ионы. Прогресс в области квантовых технологии? ошеломляющии?. Когда я договаривался с Ильеи? о встрече, у него был 16-кубитныи? квантовыи? компьютер, а когда доехал ? уже 20-кубитныи?.

Когда речь заходит о квантовых вычислениях, люди прежде всего смотрят на число кубит, потому что это понятная метрика. Тут работает обратная связь: ученые понимают, что успешность их работы оценивают по количеству кубит, и начинают это количество увеличивать: в США так делают, чтобы понравиться инвесторам, в России ? правительству, в Китае ? партии. Но на самом деле важна комбинация параметров. Нельзя сказать, что число кубит ? какая-то бессмыслица, нет, это деи?ствительно одна из главных характеристик. Но не менее значимо качество операции?.

Квантовые вентили делятся на два вида: одно- и двухкубитные. Однокубитные операции ?дешевые?: у них маленькая ошибка. Ошибки в вычислениях независимые, поэтому, если последовательно проводить несколько операции?, они складываются. И можно посмотреть, сколько сотен операции? удастся провести, прежде чем ошибка станет больше 50%.

Второи? существенныи? параметр ? достоверность двухкубитных операции? на массиве.

Группа Колачевского работает с кудитными операциями. Кудиты ? особые квантовые системы, которые могут одновременно находиться в более чем двух состояниях и выполнять, в частности, двухкубитные операции. По сути, кудит является усовершенствованнои? версиеи? кубита. В чем их преимущество?

Кудитных универсальных процессоров в мире всего два: один построен в Инсбурге, второи? ? у Семерикова.

Квантовыми компьютерами Илья занимается всего четыре года, до этого он шесть лет работал с квантовыми сенсорами, а начинал свои? путь в науку вообще с теоретическои? астрофизики, сидя этажом выше в том же институте.

Первые ионы в ловушке россии?ские физики получили в конце 2020 года, за три года дотянувшись до уровня лучших научных групп по этому направлению. В качестве рабочего тела команда Семерикова использует ионы 171-го изотопа иттербия: у них одна из самых интересных квантовых структур уровнеи?, которые охлаждаются при помощи лазера до минимально возможнои? температуры ? порядка милликельвина. Для сравнения: самая низкая температура во Вселеннои? ? 2,7 К, то есть ионы в квантовом компьютере в тысячу раз холоднее.

Удерживаются охлажденные ионы в сверхнизком вакууме электромагнитными полями. ?У нас один из лучших вакуумов во Вселеннои??, ? смеется Илья. На экране компьютера светятся 10 ярких точек-ионов. ?Это вчерашние, ? говорит физик. ? А так они у нас живут неделю. Потом один из них "цепляет" водород, и вместо чистого иттербия получается его гидрид, которыи? мы разрушаем при помощи лазера. Иногда не получается. Тогда мы ловим новые ионы?.

Ионы расположены в вакуумнои? камере на расстоянии порядка 5 микрон друг от друга. Цепочкаиз 10 ионов ? уже 50 микрон, вполне макроскопическая величина. ?Зарядка? компьютера ионами происходит при помощи небольшои? трубочки, в которую забит металлическии? иттербии?. Она разогревается до 250?300 °С, иттербии? начинает испаряться, и в сторону ловушки летит неи?тральныи? поток атомов.

Внутри ловушки они подсвечиваются лазером и происходит изотопно-селективныи? переход на промежуточныи? уровень. Вторым фотоном отрывается электрон, причем только от 171-го изотопа иттербия, которыи? и захватывается ловушкои?. Примерно через 10 секунд на экране появляется светящаяся точка. 100 секунд ? и компьютер заряжен ионами. Этого хватает на неделю экспериментов. По словам Ильи Семерикова, если уи?ти в криогенику, то время жизни ионов станет практически неограниченным: они в ловушке могут жить годами.

Первои? труднои? задачеи? было как раз создание ловушки. Ионы в неи? удерживаются электромагнитным полем, и его важная характеристика ? секулярная частота, частота колебании? ионов. В первои? ловушке она составляла 1,5 МГц, в новои? достигает 4,4 МГц. К тому же поле должно быть с низкими шумами, оно характеризуется темпами нагрева по числу фононов (квазичастица, квант энергии согласованного колебательного движения атомов) в секунду. Вот, например, в старом устрои?стве число темпа нагрева достигало 10 тыс. фононов в секунду, а в новом ? всего 10, как у лучших ловушек в мире.

Вторая сложность ? лазер, при помощи которого производятся одно- и двухкубитные операции. Берут обычныи? коммерческии? лазер с ширинои? линии порядка нескольких мегагерц и при помощи специальных техник уменьшают ее до 1 Гц. Для этого команде Семерикова пришлось создать ультрастабильныи? оптическии? резонатор, которыи? помещается в вакуумную камеру с температурои? стабильности 10?6 градусов.

Еще одна задача ? автоматическая калибровка. В россии?скои? установке сотни параметров, и все нужно контролировать. Несколько десятков уже удалось автоматизировать, остальные ждут своеи? очереди. После этого Илья хочет переи?ти от оптического набора кудитов к радиочастотному, что увеличит время когерентности и позволит делать больше операции?. Например, у квантовых компьютеров на сверхпроводниках время когерентности составляет порядка 0,5 мс, а у компьютеров на ионах ? 20 мс, что в 40 раз лучше. На радиочастотных кубитах можно будет довести время до часа. После этого Семериков собирается заняться повышением уровня достоверности операции?.

?А что дальше?? ? спрашиваю я. ?Увеличивать количество кубит. ? У Ильи на все готов ответ. ? Над этои? задачеи?мы тоже работаем: конструируем планарные ловушки?.

Квантовыи? компьютер ? штука недешевая. Мы ходим с Ильеи? вокруг установки, и я интересуюсь стоимостью компонентов. Например, за оптическии? стол, на котором все смонтировано, пришлось заплатить около 1,3 млн руб. Он должен быть очень стабильным, ?развязан? от пола, внутри ? сложная сотовая структура. И это далеко не самая дорогая часть. Измеритель длин волн, которыи? для всего мира выпускает компания из новосибирского Академгородка, продается за 10 млн. Оптическии? резонатор, которыи? ребята собирают сами, обычно стоит под 20 млн. За лазеры для считывания состоянии? атомов тоже просят 20 млн; раньше их покупали в Германии, а теперь в Китае.

То есть оборудование всего для однои? установки обходится минимум в 300 млн руб., а таких установок нужно несколько. Отдельная гордость Ильи ? локализация: весь его квантовыи? компьютер можно собрать из отечественных и китаи?ских комплектующих, так что санкции нашим физикам нипочем.