Книга: Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Создание квантового компьютера

Создание квантового компьютера

Осенью 1994 г. мне позвонил Джефф Кимбл, профессор физики Калифорнийского технологического института. Джефф прочел пару моих статей о квантовых вычислениях и хотел обсудить возможность создания квантовых логических элементов на основе фотонов.

Джефф Кимбл – долговязый техасец, который хорошо умеет обращаться с атомами и светом. Его представили мне как человека, который «так сильно сжал свет, как до него еще никому не удавалось», и если этот свет чувствовал себя так же, как моя рука после рукопожатия Джеффа, я склонен этому верить. Мы начали беседу, и я заметил две вещи. Во-первых, Джефф без всяких колебаний говорит то, что думает. Если он смотрит на ваше уравнение и произносит, со своим мягким техасским акцентом, что «есть проблема в Ривер-сити»[29], это значит, что вы в беде. Во-вторых, когда он описывает свои эксперименты, я понимаю примерно одно слово из трех.

Той осенью, неделю за неделей, я много общался с Джеффом и его студентами, и постепенно стал понимать, чем они занимаются. Джефф брал отдельные фотоны и заставлял их взаимодействовать с отдельными атомами. По сути, он помещал фотон в емкость с атомом и встряхивал их. Емкость представляла собой оптическую полость, состоящую из двух зеркал на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Фотон десятки тысяч раз метался туда-сюда между зеркалами, пока, наконец, не вырывался на свободу. Джефф вводил в полость атомы цезия, в то же время освещая ее фотонами лазерного пучка, а потом смотрел, что получилось. Каждый фотон и каждый атом проводили в небольшом пространстве оптической полости существенную долю секунды, и у них было достаточно времени для взаимодействий друг с другом.

Атом очень маленький, его диаметр – одна десятимиллиардная метра, а фотон (как ни странно) может быть гораздо больше. Как мы помним, фотоны – это частицы света, возникающие из колебаний электромагнитного поля. Из-за принципа неопределенности Гейзенберга существует компромисс между скоростью, с которой колеблется электромагнитное поле, и объемом, который занимает фотон: чем лучше определена частота колебаний поля, тем больший объем пространства занимает фотон. Фотоны, которые Джефф Кимбл запускает в свои оптические полости, имеют очень хорошо определенную частоту, а поэтому они тощие и длинные – в сотню метров длиной! Но длина самой полости – всего несколько миллиметров. Как же нечто длиной в 100 метров может поместиться в таком маленьком пространстве? Мне потребовалось некоторое время, чтобы это уяснить. Оказывается, фотон входит в полость так же, как змея вползает в банку из-под кофе: он складывается вдоль тысячи раз. В результате такого сворачивания, сила электромагнитного поля, соответствующего отдельному фотону, внутри полости в тысячи раз выше, чем снаружи. Поэтому фотон в полости очень сильно взаимодействует с атомом, находящимся в ней в этот момент.

Джефф и его студенты Квентин Тюршетт, Кристина Худ и Хидео Мабути в это время проводили эксперименты, в которых запускали два фотона в оптическую полость, где в тот момент находился атом, и смотрели, что происходило с фотонами, когда они выходили из полости. Оба фотона сильно взаимодействовали с атомом, а поэтому сильно взаимодействовали и друг с другом. Но было ли это взаимодействие достаточным, чтобы создать квантовые логические элементы, например схему «условное не»? Когда мы начали эксперименты, Джефф не знал, как действуют квантовые логические элементы, а я не знал, как ведут себя фотоны. После окончания экспериментов я показал, что почти любого взаимодействия между фотонами достаточно для создания квантового логического элемента, а Джефф и его студенты смогли предъявить первые фотонные квантовые логические элементы.

В то же самое время Дейв Уайнленд и Крис Монро из Национального института стандартов и технологии (NIST) в Боулдере экспериментально реализовали предложения Игнасио Сирака и Петера Цоллера из Университета Инсбрука по поводу архитектуры квантовых компьютеров, основанной на том, чтобы улавливать ионы с помощью колеблющегося электромагнитного поля, а затем обстреливать их лазерами. Ионы – это атомы, лишенные электрона, у них суммарный заряд является положительным, благодаря чему их несложно «поймать». (Старый физический анекдот: два атома заходят в бар. Один атом осматривает себя и говорит: «Эй, я потерял электрон!» – «Ты уверен?» – спрашивает второй атом. «Положительно!» – отвечает первый атом.) Когда ионы «пойманы», их можно охладить до очень низкой температуры и обстреливать лазером, чтобы заставить взаимодействовать и выполнять квантовые логические операции.

Эксперименты Кимбла и Уайнленда были проведены на уже существующих, хотя и модернизированных экспериментальных установках. Относительная легкость, с которой были выполнены первые квантовые логические операции, позволила предположить, что квантовый компьютер действительно можно создать.

Когда я начал работать в Массачусетском технологическом институте в декабре 1994-го, я стал сотрудничать с учеными и инженерами со всех концов мира в попытке создать квантовый компьютер. Дэвид Кори, профессор ядерной техники Массачусетского технологического института, вместе со своими коллегами Тимом Хэвелом и Амиром Фами показал, как можно заставить ядерные спины вычислять с помощью обстрела атомов, описанного выше. В применении к ядерным спинам, эти методы называют «ядерным магнитным резонансом» (ЯМР).

Вскоре после этого и независимо от них Нейл Гершенфельд из Media Lab Массачусетского технологического института выяснил, как можно использовать ЯМР для вычисления, и я начал работать вместе с Нейлом и с Айзеком Чуаном над простыми квантовыми вычислениями с помощью ЯМР. Построив всего лишь двухбитовый квантовый компьютер, мы смогли продемонстрировать квантовый параллелизм, заставив его выполнять несколько задач одновременно. Позже Чуан стал разрабатывать квантовые компьютеры ЯМР-типа все больших и больших размеров, и несколько лет назад он создал компьютер на семи кубитах, способный реализовать простую версию алгоритма Шора. Чуан использовал этот компьютер, чтобы разложить на множители число 15. Конечно, предстоит еще очень много сделать, прежде чем появится квантовый компьютер, способный разложить на множители число из 400 цифр[30]!

Простой квантовый компьютер можно собрать из цепочки ядерных спинов в молекуле. На рисунке ядерные спины имеют направления «вверх», «вверх», «вниз», «вниз», «вверх», иначе говоря, в них записаны квантовые биты 00110

Я продолжал сотрудничать с Джеффом Кимблом в области хранения и передачи квантовых битов на фотонах. Кроме того, я начал работать вместе с учеными из Массачусетского технологического института, чтобы заставить свет взаимодействовать с атомами. Джеффри Шапиро, Франко Вонг и Селим Шахрияр из Исследовательской лаборатории электроники изучали возможности квантовой связи, и вскоре мы написали предложение по созданию самого мощного в мире источника запутанных фотонов, а также описали метод, позволяющий «ловить» эти фотоны с помощью атомов, запертых в оптических полостях. Эта технология, как и сходные методы, предложенные Кимблом, Сираком и Цоллером, сформировали основу для попытки создать квантовый интернет – сеть квантовых компьютеров, оптически связанных друг с другом. (Сейчас я работаю над разработкой системы поиска в квантовом интернете с рабочим названием «Quoogle».)

В тот же период я начал сотрудничать с Хансом Моэем из Делфтского технологического университета. Мы искали возможность создания квантовых компьютеров с помощью сверхпроводящих систем. В сверхпроводнике электроны не испытывают почти никакого сопротивления при перемещении с места на место. Такой поток электронов в сверхпроводнике называют сверхтоком. Сверхпроводимость можно описать и иначе: атомам материала, в котором движутся электроны, трудно захватывать эти электроны. Это означает, что электроны могут двигаться сквозь материал, сохраняя при этом квантовую когерентность: они остаются запутанными. Ханс Моэй и другие ученые, изучающие сверхпроводимость, указывают, что это «скользкое» свойство электронов сверхпроводимости можно использовать для выполнения квантовых вычислений. Если создать петлю из сверхпроводящего материала и разорвать ее в подходящих местах очень тонкими участками материала, не являющегося сверхпроводящим (они называются переходами Джозефсона), то получившееся устройство способно поддерживать сверхтоки, текущие либо по часовой стрелке, либо против. Такое устройство легко может хранить один бит информации: просто определим сверхток, текущий против часовой стрелки, как состояние 0, а текущий по часовой стрелке – как состояние 1.

Такая сверхпроводниковая квантовая система может содержать не только биты, но и кубиты. Мы вычислили, что если очень тщательно разработать сверхпроводящий бит, сведя к абсолютному минимуму взаимодействия между сверхтоком и его окружением, то сверхток можно перевести в квантово-механическую суперпозицию циркуляции по часовой стрелке и против часовой стрелки. На некотором уровне способность сверхтока проявлять такую квантовую суперпозицию не должна нас удивлять; в конце концов, сверхток состоит из электронов, а отдельный электрон вполне может находиться в двух местах сразу. Но сверхток может состоять из миллиардов электронов, а контур, по которому он циркулирует по часовой стрелке и против нее одновременно, так велик, что почти доступен для невооруженного глаза. Такая макроскопическая квантовая когерентность по-настоящему удивительна, и исследователи уже много десятилетий пытались ее продемонстрировать, но безуспешно.

Мы с Терри Орландо из Массачусетского технологического института и Хансом Моэем создали исследовательскую группу, и несколькими годами позже она продемонстрировала квантовые биты, которые можно поместить в такую макроскопическую квантовую суперпозицию. Эту демонстрацию осуществил ученик Моэя Каспар ван дер Вал. (Группа Джеймса Льюкенса в Университете Стоуни-Брук продемонстрировала макроскопические квантовые суперпозиции независимо и почти одновременно с нами.) В последние несколько лет Моэй и другие исследователи придумали и реализовали на практике когерентное управление сверхпроводящими кубитами. Простые квантовые компьютеры, состоящие из нескольких соединенных друг с другом сверхпроводящих кубитов, в настоящее время создаются и тестируются. Сейчас я работаю в Японии с Цай Чжаошэнем, Ясунобу Накамурой и Цуёси Ямамото[31] из корпорации NEC и пытаюсь выполнить первые простые квантовые вычисления со сверхпроводящими кубитами.

В течение прошедшего десятилетия мне посчастливилось работать над созданием квантовых компьютеров и квантовых систем связи вместе с некоторыми из лучших ученых-экспериментаторов мира. Я не могу постичь степень понимания природы вещей этими людьми, уж не говоря о том, чтобы приблизиться к ней самому. Эти экспериментаторы обладают глубочайшим теоретическим пониманием квантовой механики – пониманием, необходимым для того, чтобы создавать совершенно новые способы общения с атомами и фотонами и убеждения делать их то, чего они никогда не делали прежде.

Оглавление книги