Ученые компании IBM сделали два очень важных шага на пути к созданию практического квантового компьютера. Одним из этих шагов является технология эффективного обнаружения и исправления ошибок в квантовых данных, а вторым – конструкция универсального квантового чипа, из которых можно строить квантовые вычислительные системы со сколь угодно большим количеством квантовых битов, кубитов, и наращивать это количество по мере возникновения необходимости.

Транзисторы в процессорах современных компьютеров становятся с каждым годом все меньше и меньше. Размер одного транзистора на нынешнем уровне составляет 14 нанометров, что означает, что между электродами истока и стока находится слой в тридцать атомов кремния. Но только как уровень миниатюризации подойдет к тому, что толщина слоя кремния сократится до четырех-пяти атомов, неопределенность, обусловленная эффектами квантовой механики, лишит транзистор возможности работать в нормальном режиме. Электроны начнут спонтанно и беспорядочно перемещаться от одного электрода транзистора к другому, создавая ток, который течет через транзистор даже при выключенном его состоянии.

Идея, которая лежит в основе квантовых компьютеров, которая была сформулирована в 1981 году Ричардом Фейнманом (Richard Feynmann), заключается в том, чтобы при помощи разных технологий заставить квантовые эффекты работать на свою пользу, а не рассматривать их в качестве препятствия. Этого можно достичь, создавая более сложные полупроводниковые структуры наподобие транзисторов, которые используют огромный потенциал квантовой обработки квантовой информации.

Рис. 1.

В мире странной квантовой механики квантовые биты, кубиты, могут иметь два состояния, состояние 1 и 0 одновременно. Более того, когда два или большее количество кубитов запутываются на квантовом уровне, количество состояний, в которых может находиться квантовая система, и, следовательно, ее вычислительная мощность, возрастает по экспоненте в зависимости от количества кубитов.

Десять запутанных кубитов будут в состоянии хранить информацию, которую могут хранить 1024 классических кубита. А в 33 кубитах может храниться один гигабайт информации. В 300 полностью запутанных кубитах можно сохранить такое количество информации, для хранения которой потребуются обычные биты в количестве, равном количеству атомов во всей Вселенной.

К сожалению, квантовый компьютер, даже с большим количеством квантовых битов, будет обгонять обычный компьютер не на всех видах вычислительных задач.

Наилучшей оптимизации для квантовых вычислений поддаются алгоритмы поиска, оперирования большими наборами данных, шифрования, дешифровки данных и некоторые другие алгоритмы. Но и этого ограниченного круга алгоритмов, способных выполняться на квантовых компьютерах с максимальной эффективностью, достаточно для реализации сложнейших математических моделей, описывающих функционирование белков, воздействие лекарственных препаратов, процессы климатических изменений в масштабах планеты и более глобальные процессы, определяющие развитие Вселенной в целом.

Однако, для создания работоспособного квантового компьютера требуется, чтобы все его кубиты постоянно находились в хрупком состоянии квантовой запутанности и обрабатывали квантовую информацию без ошибок, с высокой степенью достоверности.

В случае с обычными данными, загружаемыми из Интернета или хранимыми на наших жестких дисках, для выявления и коррекции ошибок используются специальные алгоритмы, способные выявить биты с неправильными значениями и исправить их на нужное значение.

В классических современных компьютерах ошибки возникают достаточно редко, но эти ошибки являются главной проблемой для квантовых компьютеров, работающих с более тонкой квантовой информацией. Хрупкое состояние запутанности квантовых битов может быть нарушено даже небольшими изменениями температуры окружающей среды или слабым электромагнитным излучением, прибывшим откуда-то извне. И самым неприятным является то, что выявить ошибку в квантовых данных можно лишь считав информацию из квантового бита, который после операции считывания перестанет являться носителем этой информации.

Рис. 2.

Как мы упоминали выше, ученые компании IBM разработали технологию выявления и коррекции ошибок в квантовых битах, при этом, технология, реализованная в виде квантового чипа с четырьмя кубитами, способна одновременно обнаружить квантовые ошибки сразу двух основных типов.

Квантовый чип, размер которого равен около 6 миллиметров, основан на квадратной матрице из четырех сверхпроводящих кубитов. Все кубиты разделены на два информационных кубита, в которых содержится фактическая информация, и два корректирующих кубита, которые не запутанны с информационными кубитами и которые используются для проверки ошибок в информации, хранимой в первых двух кубитах.

Наличие двух корректирующих кубитов позволило ученым реализовать технологию неразрушающего чтения квантовой информации, ведь, благодаря близкому расстоянию квантовая информация, в силу законов квантовой механики, «просачивается» от информационного к соседнему корректирующему кубиту, с которого можно считывать эту информацию без риска повреждения информации в основном носителе.

Предыдущие методы обнаружения и коррекции квантовых ошибок также были реализованы при помощи матриц кубитов, но они могли исправлять только ошибку одно типа, «ошибку значения бита» (bit flips) или «ошибку фазы» (phase flip).

Но матричное расположение корректирующих кубитов, реализованное учеными IBM, подразумевает, что для коррекции ошибки в каждом информационном бите можно одновременно использовать два корректирующих кубита, по одному для каждого вида ошибки.

Квадратный квантовый чип был изготовлен при помощи стандартных методов производства кремниевых полупроводниковых приборов. Исследователи утверждают, что их технология устранения ошибок будет эффективно работать даже на больших вариантах таких чипов, в которых будет присутствовать значительное количество запутанных кубитов.

В скором времени ученые предпримут попытку создания варианта квантового чипа с большим количеством сверхпроводящих кубитов, на котором будет проверена работоспособность и эффективность разработанных технологий.

И, учитывая уже имеющийся опыт, эта попытка должна завершиться удачей, ведь конструкция кубитов, разработанная учеными IBM, достаточно удачна и она демонстрирует достаточно низкий уровень возникновения ошибок сама по себе.