Квантовые компьютеры совершат невероятные достижения. Они создадут чрезвычайно сложные цифровые двойники на молекулярном уровне и разработают оптимизационные решения на глобальном уровне, позволяя нам преобразовать целые отрасли — от фармацевтики до логистики.
Но прежде чем мы сможем воспользоваться этими преимуществами, нам нужен жизнеспособный квантовый компьютер, способный решать гиперсложные задачи. Современные квантовые компьютеры уже могут решать некоторые задачи, но пока они не справляются с тем, что нельзя было бы выполнить на обычном компьютере.
Чтобы сделать следующий большой шаг в квантовых вычислениях, нам нужен стабильный кубит.
Кубит, или квантовый бит, — это самый фундаментальный элемент квантового компьютера. Он работает аналогично транзистору в стандартном компьютерном чипе, но способен выполнять вычисления, невозможные для традиционного микропроцессора. Для создания полезного квантового компьютера необходимо запутать тысячи таких кубитов.
Проблема в том, что кубиты по своей природе нестабильны. Малейшее изменение температуры, структуры или электромагнитного поля может дестабилизировать кубит, превратив содержащуюся в нем информацию в бесполезный шум. Жизненный цикл большинства современных кубитов измеряется всего несколькими миллисекундами.
Однако Nokia Bell Labs занимается исследованиями нового типа кубита, обладающего исключительной стабильностью. Этот кубит, называемый топологическим, гораздо более устойчив к внешним воздействиям, что позволяет ему оставаться работоспособным в течение часов, а возможно, даже дней или недель. Топологический подход к квантовым вычислениям может стать революционным, значительно уменьшив размеры и стоимость будущих квантовых компьютеров, а также ресурсы, необходимые для их обслуживания.
На протяжении многих лет Nokia Bell Labs изучает основы топологических квантовых вычислений, опираясь на десятилетия исследований в области физики конденсированных сред, включая нашу Нобелевскую премию за открытие дробного квантового эффекта Холла. Мы решили поделиться своим прогрессом и исследовательской дорожной картой, поскольку приближаемся к прорыву в создании топологического кубита. Исследовательская группа по квантовым вычислениям под руководством ведущего исследователя Роберта Уиллетта ожидает достижения нескольких ключевых вех в 2025 году, демонстрируя жизнеспособность своих топологических квантовых исследований. А в 2026 году команда надеется продемонстрировать стабильный топологический кубит.
«Мы создаем новый тип кубита, который изначально стабилен и легко управляем, — говорит Уиллетт. — Этот топологический кубит будет обладать чрезвычайно низким уровнем ошибок, что избавит от необходимости массового дублирования кубитов в квантовых компьютерах. Это сделает квантовые компьютеры меньше, энергоэффективнее и значительно мощнее».
Физический подход к масштабируемым квантовым вычислениям
За последнее десятилетие в области квантовых вычислений был достигнут значительный прогресс, но большинство этих достижений основаны на методе «грубой силы» в инженерии. Современные ранние квантовые компьютеры используют первое поколение кубитов, которые, хотя и представляют огромную научную ценность, не подходят для построения практичного вычислительного устройства. Работа с этими кубитами требует создания вычислительных систем, по сложности и размерам сопоставимых с самыми мощными суперкомпьютерами в мире. Эти «грубо сконструированные» квантовые компьютеры нуждаются в сотнях тысяч кубитов, так как они постоянно теряют свою стабильность.
Однако в Nokia Bell Labs подошли к проблеме с совершенно другой стороны. Вместо того чтобы пытаться заставить кубиты первого поколения работать нестандартным образом, компания переосмысливает саму физику квантовых вычислений. Этот подход позволит создать топологический кубит, основанный на фундаментальных принципах квантовой механики и разработанный специально для нужд квантовых вычислений.
Научная основа топологического кубита весьма сложна. Как следует из названия, он использует математический принцип топологии. Топология изучает, как геометрический объект сохраняет свои свойства, даже если он растягивается и деформируется.
Классическим примером топологической системы является чашка. Чашка — это сосуд для жидкости с ручкой, содержащей отверстие. Если растянуть или видоизменить ручку и исказить цилиндрическую форму чашки, объект может выглядеть странно, но его топологические свойства сохранятся: он по-прежнему остается чашкой и выполняет свою функцию.
Уиллетт и его команда применяют эти же принципы топологии к квантовому компьютеру. Они создают систему, которая сохраняет свои вычислительные функции даже при деформациях.
В частности, лаборатория Уиллетта создала сверхохлажденную электронную жидкость, которая выступает в роли «холста» для квантового компьютера. С помощью электромагнитных полей на поверхности этой жидкости «рисуются» кубиты. Затем дополнительные электромагнитные поля позволяют перемещать заряды друг относительно друга, заплетая их в сложные структуры. Такое «заплетение» зарядов действует как переключатель между топологическими состояниями кубитов. Получившаяся структура обладает высокой стабильностью: квантовые состояния кубитов остаются неизменными в течение нескольких дней или недель.
Манипулируя положением зарядов, компьютер может изменять топологические квантовые состояния своих кубитов. Этот процесс и является способом выполнения вычислений в топологическом квантовом компьютере. Но все факторы, обычно вызывающие нестабильность квантовых компьютеров — колебания температуры, вибрации, случайные частицы — практически не оказывают влияния. Даже если случайная частица выбьет один заряд из системы, топология заплетенной структуры предотвратит каскад ошибок, который является серьезной проблемой современных квантовых компьютеров.
«Топологические состояния этих частиц фундаментально устойчивы, — объясняет Уиллетт. — Изменить их базовое состояние крайне сложно. Чтобы случайно изменить квантовое состояние частицы, нужна специфическая последовательность действий, поэтому система остается стабильной».
Следующие шаги к созданию топологического кубита
Nokia — одна из двух компаний, занимающихся разработкой топологического кубита, и она уже далеко продвинулась в доказательстве его жизнеспособности. Для этого необходимо достичь трех ключевых этапов. Первый был выполнен Уиллеттом в 2023 году: Nokia Bell Labs смогла поддерживать топологическое квантовое состояние и манипулировать одиночным зарядом в этом состоянии.
Вторая веха, которую планируется достичь в первой половине 2025 года, связана с созданием квантового логического элемента NOT. Этот элемент является базовой операцией вычислений, изменяя бит с 0 на 1. Если топологический кубит сможет выполнить квантовый эквивалент этой операции, то он удовлетворит основным критериям квантового компьютера.
Третья веха предполагает возможность выполнения более сложных квантовых операций путем манипулирования зарядами. Команда Уиллетта рассчитывает достичь этого во второй половине 2025 года.
После успешного выполнения всех этапов Nokia Bell Labs планирует продемонстрировать работоспособный топологический кубит в 2026 году.
«Трудно переоценить влияние, которое топологический кубит окажет на квантовую индустрию, — говорит Майкл Эгглстон, руководитель отдела исследований данных и устройств в Nokia Bell Labs. — Это сделает квантовые компьютеры более компактными, доступными и мощными».
Так же, как транзистор привел вычислительную технику от аналоговой эпохи к цифровой, топологический кубит может стать ключом к переходу от цифровой эры к квантовой.
Источник
Уникальность
