Oamenii de știință ruși au prezentat o dezvoltare care, potrivit lor, ar trebui să schimbe radical viața omenirii. Cele mai mari corporații tehnologice din lume dezvoltă computere cuantice care pot rula de milioane de ori mai repede decât sistemele de operare moderne. Dar au recunoscut deja victoria colegilor lor.

Părea fantastic chiar ieri - computere cuantice capabile să depășească toate dispozitivele existente. Sunt atât de puternici încât pot fie să deschidă noi orizonturi pentru umanitate, fie să doboare toate sistemele de securitate pentru că le pot sparge.

„Un computer cuantic funcțional este mult mai rău decât o bombă atomică”, spune Serghei Belousov, CEO al Acronis și co-fondator al Centrului Cuantic din Rusia.

Cele mai mari corporații investesc în dezvoltare: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Dar astăzi centrul atenției este pe Mikhail Lukin, un fizician de la Harvard și unul dintre fondatorii Centrului Cuantic Rus. Echipa sa a reușit să creeze cel mai puternic computer cuantic de până acum.

„Acesta este unul dintre cele mai mari sisteme cuantice care au fost create. Intrăm într-un regim în care calculatoarele clasice nu pot face față calculelor. Facem deja mici descoperiri, am văzut efecte noi care nu erau așteptate teoretic, pe care le putem acum, încercăm să le înțelegem, nici nu le înțelegem pe deplin”, spune profesorul de la Universitatea Harvard, cofondatorul Rusiei. Centrul cuantic Mihail Lukin.

Toate din cauza puterii unor astfel de dispozitive. Calculele care ar dura mii de ani pe supercalculatorul de astăzi pot fi făcute de un computer cuantic într-o clipă.

Cum functioneaza? În calculatoarele convenționale, informațiile și calculele sunt biți. Fiecare bit este fie un zero, fie unul. Dar computerele cuantice se bazează pe qubiți și pot fi într-o stare de suprapunere, în care fiecare qubit este atât zero, cât și unu. Și dacă pentru orice calcul computerele obișnuite au nevoie, aproximativ vorbind, să construiască secvențe, atunci calculele cuantice au loc în paralel, într-o clipă. Există 51 de astfel de qubiți în computerul lui Mikhail Lukin.

„În primul rând, a creat un sistem cu cei mai mulți qubiți. Doar în cazul în care. În acest moment, cred că este de două ori mai mulți qubiți decât oricine altcineva. Și a făcut în mod special 51 de qubiți, nu 49, pentru că Google a tot spus că vor face 49”, explică Serghei Belousov, CEO al Acronis, co-fondator al Centrului Cuantic din Rusia.

Pentru el a fost prezisă crearea celui mai puternic computer cuantic. John Martinez este șeful celui mai mare laborator cuantic din lume, Google Corporation. Și plănuia să-și termine computerul de 49 de qubiți doar în câteva luni.

„22 de qubiți este maximul pe care l-am putut face, ne-am folosit toată magia și profesionalismul”, spune el.

Martinez și Lukin au evoluat pe aceeași scenă - la Moscova, la a patra conferință internațională cuantică. Cu toate acestea, oamenii de știință nu se consideră rivali.

„Este greșit să te gândești la asta ca la o cursă. Avem o adevărată cursă cu natura. Pentru că este foarte dificil să creezi un computer cuantic. Și este emoționant că cineva a reușit să creeze un sistem cu atât de mulți qubiți”, spune John Martinez, șeful Laboratorului de Inteligență Artificială Quantum de la Google.

Dar de ce avem nevoie de calculatoare cuantice? Nici creatorii lor înșiși nu știu sigur. Cu ajutorul lor, pot fi dezvoltate materiale complet noi și sute de descoperiri în fizică și chimie. Calculatoarele cuantice sunt poate singurul lucru care poate dezvălui misterul creierului uman și al inteligenței artificiale.

„Când se face o descoperire științifică, creatorii ei nu realizează toată puterea pe care o va aduce. Când a fost inventat tranzistorul, nimeni nu și-a imaginat că vor fi construite computere pe acest tranzistor”, spune Ruslan Yunusov, directorul Centrului cuantic din Rusia.

Unul dintre primele computere a fost creat în anii 40 ai secolului XX și cântărea 27 de tone. Dacă îl comparăm cu dispozitivele moderne, atunci un smartphone obișnuit este la fel de puternic ca 20.000 dintre aceste aparate. Și acesta este un progres de peste 70 de ani. Dar dacă va veni era computerelor cuantice, descendenții noștri se vor întreba cum să folosească aceste antichități.

Când vine vorba de oameni de știință ruși remarcabili, mulți își amintesc de eroii de altădată - Mendeleev, Pavlov sau Landau, uitând că printre contemporanii noștri se numără mulți cercetători remarcabili. Pentru Ziua Științei Ruse, „Atic” a adunat numele celor care au făcut descoperiri semnificative în secolul XXI.

Fizică

Andrei Geim. Foto: ITAR-TASS/ Stanislav Krasilnikov

În noul mileniu, Premiul Nobel pentru Fizică a revenit de trei ori oamenilor de știință vorbitori de limbă rusă, deși abia în 2010 - pentru o descoperire făcută în secolul XXI. absolvenți ai MIPT Jocul Andrei Și Constantin Novoselov În laboratorul Universității din Manchester au reușit pentru prima dată să obțină un cristal de carbon bidimensional stabil - grafen. Este o peliculă de carbon foarte subțire - grosime de un atom - care, datorită structurii sale, are multe proprietăți interesante: conductivitate remarcabilă, transparență, flexibilitate și rezistență foarte mare. Noi și noi domenii de aplicare se găsesc în mod constant pentru grafen, de exemplu în microelectronică: din acesta sunt create afișaje flexibile, electrozi și panouri solare.

Mihail Lukin. Foto: ITAR-TASS/ Denis Vyshinsky

Un alt absolvent al MIPT, iar acum profesor de fizică la Universitatea Harvard Mihail Lukin , a făcut ceea ce parea imposibil: a oprit lumina. Pentru a face acest lucru, omul de știință a folosit vapori de rubidiu suprarăciți și două lasere: cel de control a făcut ca mediul să fie conductiv la lumină, iar al doilea a servit ca sursă a unui impuls scurt de lumină. Când laserul de control a fost oprit, particulele pulsului de lumină au încetat să părăsească mediul, ca și cum s-ar opri în el. Acest experiment a reprezentat o adevărată descoperire către crearea computerelor cuantice - mașini de un tip complet nou care pot efectua un număr colosal de operații în paralel. Omul de știință și-a continuat cercetările în acest domeniu, iar în 2012, grupul său de la Harvard a creat cel mai lung qubit de la acea vreme, cel mai mic element pentru stocarea informațiilor într-un computer cuantic. Și în 2013, Lukin a obținut pentru prima dată materie fotonică - un fel de substanță, constând doar nu din atomi, ci din particule de lumină, fotoni. De asemenea, este planificat să fie utilizat pentru calculul cuantic.

Yuri Oganesyan (centru) cu Georgy Flerov și Konstantin Petrzhak. Fotografie din arhiva electronică JINR

Oamenii de știință ruși din secolul 21 au extins semnificativ tabelul periodic. De exemplu, în ianuarie 2016, i-au fost adăugate elemente cu numerele 113, 115, 117 și 118, dintre care trei au fost obținute pentru prima dată la Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR) din Dubna sub conducerea unui academician al Academiei Ruse. de Științe Yuri Oganesyan . De asemenea, are onoarea de a descoperi o serie de alte elemente supergrele și reacțiile lor de sinteză: elementele mai grele decât uraniul nu există în natură - sunt prea instabile, așa că sunt create artificial în acceleratoare. În plus, Oganesyan a confirmat experimental că pentru elementele supergrele există așa-numita „insula stabilității”. Toate aceste elemente se degradează foarte repede, dar mai întâi teoretic și apoi experimental s-a demonstrat că printre ele ar trebui să existe unele a căror durată de viață depășește semnificativ durata de viață a vecinilor lor din tabel.

Chimie

Artem Oganov. Fotografie din arhiva personală

Chimist Artem Oganov , șeful laboratoarelor din SUA, China și Rusia, și acum și profesor la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo, a creat un algoritm care vă permite să utilizați un computer pentru a căuta substanțe cu proprietăți predeterminate, chiar imposibile din punctul de vedere al vedere asupra chimiei clasice. Metoda dezvoltată de Oganov a stat la baza programului USPEX (care se citește ca cuvântul rusesc pentru „succes”), care este utilizat pe scară largă în întreaga lume („Mansarda” în detaliu). Cu ajutorul acestuia, au fost descoperite noi magneți și substanțe care ar putea exista în condiții extreme, precum presiunea ridicată. Se presupune că astfel de condiții pot exista pe alte planete, ceea ce înseamnă că substanțele prezise de Oganov sunt acolo.

Valery Fokin. Clusterul biofarmaceutic „Northern”

Cu toate acestea, este necesar nu numai să se modeleze substanțe cu proprietăți predeterminate, ci și să le creeze în practică. Pentru a realiza acest lucru, în 1997 a fost introdusă o nouă paradigmă în chimie, așa-numita chimie click. Cuvântul „click” imită sunetul unui zăvor, deoarece noul termen a fost introdus pentru reacțiile care trebuie, în orice condiții, să conecteze componente mici în molecula dorită. La început, oamenii de știință au fost neîncrezători în existența unei reacții miraculoase, dar în 2002 Valery Fokin , un absolvent al Universității de Stat Nizhny Novgorod numită după Lobachevsky, care lucrează acum la Institutul Scripps din California, a descoperit un astfel de „bloc molecular”: constă dintr-o azidă și o alchină și funcționează în prezența cuprului în apă cu acid ascorbic. Folosind această reacție simplă, compuși complet diferiți pot fi combinați între ei: proteine, coloranți, molecule anorganice. O astfel de sinteză „clic” a substanțelor cu proprietăți cunoscute anterior este necesară în primul rând atunci când se creează noi medicamente.

Biologie

Evgeny Kunin. Fotografie din arhiva personală a omului de știință

Cu toate acestea, pentru a trata o boală, uneori este necesar nu numai neutralizarea unui virus sau bacterii, ci și corectarea propriilor gene. Nu, acesta nu este intriga unui film științifico-fantastic: oamenii de știință au dezvoltat deja mai multe sisteme de „foarfece moleculare” capabile să editeze genomul (mai multe despre tehnologia uimitoare în articolul Attic). Cel mai promițător dintre ele este sistemul CRISPR/Cas9, care se bazează pe mecanismul de protecție împotriva virușilor care există în bacterii și arhee. Unul dintre cercetătorii cheie ai acestui sistem este fostul nostru compatriot Evgenii Kunin , care lucrează de mulți ani la Centrul Național pentru Informații Biotehnologice din SUA. Pe lângă sistemele CRISPR, omul de știință este interesat de multe probleme de genetică, biologie evolutivă și computațională, așa că nu degeaba lui H-index (indicele de citare al articolelor unui om de știință, care reflectă cât de mult este solicitată cercetarea sa) a depășit 130 - acesta este un record absolut printre toți oamenii de știință vorbitori de limbă rusă.

Viaceslav Epstein. Fotografie de Universitatea Northwestern

Cu toate acestea, pericolul de astăzi este reprezentat nu numai de defecțiunile genomului, ci și de cei mai des întâlniți microbi. Faptul este că în ultimii 30 de ani nu a fost creat niciun tip nou de antibiotic, iar bacteriile devin treptat imune la cele vechi. Din fericire pentru omenire, în ianuarie 2015, un grup de oameni de știință de la Universitatea Northeastern din Statele Unite au anunțat crearea unui agent antimicrobian complet nou. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au apelat la studiul bacteriilor din sol, care anterior erau considerate imposibil de crescut în condiții de laborator. Pentru a ocoli acest obstacol, un angajat al Universității de Nord-Est, absolvent al Universității de Stat din Moscova Viaceslav Epshtein împreună cu un coleg, a dezvoltat un cip special pentru creșterea bacteriilor indisciplinate chiar pe fundul oceanului - în acest mod viclean, omul de știință a ocolit problema „capriciosității” crescute a bacteriilor care nu doreau să crească într-o cutie Petri. Această tehnică a stat la baza unui studiu amplu, al cărui rezultat a fost antibioticul teixobactin, care poate face față atât tuberculozei, cât și Staphylococcus aureus.

Matematică

Grigory Perelman. Foto: George M. Bergman - Mathematisches Institut Oberwolfach (MFO)

Chiar și oameni foarte departe de știință au auzit probabil despre matematică din Sankt Petersburg Grigory Perelman . În 2002-2003, a publicat trei lucrări care dovedesc conjectura Poincaré. Această ipoteză aparține unei ramuri a matematicii numită topologie și explică cele mai generale proprietăți ale spațiului. În 2006, dovada a fost acceptată de comunitatea matematică, iar conjectura Poincaré a devenit astfel prima rezolvată dintre așa-numitele probleme ale șapte mileni. Acestea includ probleme matematice clasice pentru care nu s-au găsit dovezi de mulți ani. Pentru dovada sa, Perelman a primit medalia Fields, numită adesea Premiul Nobel pentru matematicieni, precum și Premiul pentru rezolvarea problemelor Millennium al Institutului de Matematică Clay. Omul de știință a refuzat toate premiile, ceea ce a atras atenția unui public departe de matematică.

Stanislav Smirnov. Foto: ITAR-TASS/ Yuri Belinsky

Lucrează la Universitatea din Geneva Stanislav Smirnov în 2010 a câștigat și medalia Fields. Cel mai prestigios premiu al său în lumea matematică a fost dovada invarianței conforme a percolării bidimensionale și a modelului Ising în fizica statistică - acest lucru nepronunțat este folosit de teoreticieni pentru a descrie magnetizarea unui material și este folosit în dezvoltarea cuanticei. calculatoare.

Andrei Okunkov. Foto: Radio Liberty

Perelman și Smirnov sunt reprezentanți ai Școlii de Matematică din Leningrad, absolvenți ai cunoscutei școli 239 și ai Facultății de Matematică și Mecanică a Universității de Stat din Sankt Petersburg. Dar au fost și moscoviți printre nominalizații la Premiul Nobel pentru matematică, de exemplu, un profesor la Universitatea Columbia care a lucrat mulți ani în SUA și un absolvent al Universității de Stat din Moscova. Andrei Okunkov . A primit medalia Fields în 2006, în același timp cu Perelman, pentru realizările sale care conectează teoria probabilității, teoria reprezentării și geometria algebrică. În practică, munca lui Okunkov de-a lungul anilor și-a găsit aplicație atât în ​​fizica statistică pentru a descrie suprafețele cristalelor, cât și în teoria corzilor - un domeniu al fizicii care încearcă să combine principiile mecanicii cuantice și teoria relativității.

Poveste

Peter Turchin. Foto: Universitatea de Tehnologie Stevens

El a propus o nouă teorie la intersecția dintre matematică și științe umaniste Petr Turchin . Este surprinzător faptul că Turchin însuși nu este un matematician sau un istoric: este un biolog care a studiat la Universitatea de Stat din Moscova și acum lucrează la Universitatea din Connecticut și studiază populațiile. Procesele de biologie a populației se dezvoltă pe o perioadă lungă de timp, iar descrierea și analiza lor necesită adesea construirea de modele matematice. Dar modelarea poate fi folosită și pentru a înțelege mai bine fenomenele sociale și istorice din societatea umană. Este exact ceea ce Turchin a făcut în 2003, denumind noua abordare cliodinamică (în numele muzei istoriei Clio). Folosind această metodă, Turchin însuși a stabilit cicluri demografice „laice”.

Lingvistică

Andrei Zaliznyak. Foto: Mitrius/wikimedia

În fiecare an, în Novgorod, precum și în alte orașe antice rusești, cum ar fi Moscova, Pskov, Ryazan și chiar Vologda, se găsesc din ce în ce mai multe litere de scoarță de mesteacăn, a căror vârstă datează din secolele XI-XV. În ele puteți găsi corespondență personală și oficială, exerciții pentru copii, desene, glume și chiar scrisori de dragoste - „Mansarda” este despre cele mai amuzante inscripții antice rusești. Limba vie a literelor ajută cercetătorii să înțeleagă dialectul Novgorod, precum și viața oamenilor obișnuiți și istoria Rusiei. Cel mai faimos cercetător al documentelor din scoarța de mesteacăn este, desigur, Academician al Academiei Ruse de Științe Andrei Zaliznyak : Nu degeaba prelegerile sale anuale, dedicate scrisorilor nou găsite și descifrării celor vechi, sunt pline de oameni.

Climatologie

Vasili Titov. Fotografie de pe noaa.gov

În dimineața zilei de 26 decembrie 2004, ziua tragicului tsunami din Indonezia, care, conform diferitelor estimări, a ucis 200-300 de mii de oameni, absolvent al NSU, care lucra la Centrul de Cercetare Tsunami din cadrul Administrației Naționale Oceanice și Atmosferice. în Seattle (SUA), Vasili Titov s-a trezit celebru. Și aceasta nu este doar o figură de stil: după ce a aflat despre cel mai puternic cutremur care a avut loc în Oceanul Indian, omul de știință, înainte de a merge la culcare, a decis să ruleze un program de prognoză a valurilor de tsunami pe computerul său și a postat rezultatele acestuia online. Prognoza lui s-a dovedit a fi foarte precisă, dar, din păcate, a fost făcută prea târziu și, prin urmare, nu a putut preveni victimele umane. Acum programul de prognoză tsunami MOST, dezvoltat de Titov, este utilizat în multe țări din întreaga lume.

Astronomie

Constantin Batygin. Fotografie de pe caltech.edu

În ianuarie 2016, lumea a fost șocată de o altă știre: în sistemul nostru solar nativ. Unul dintre autorii descoperirii s-a născut în Rusia Constantin Batygin de la Universitatea din California. După ce au studiat mișcarea a șase corpuri cosmice situate dincolo de orbita lui Neptun, ultima dintre planetele recunoscute în prezent, oamenii de știință au folosit calcule pentru a arăta că la o distanță de șapte ori mai mare decât distanța de la Neptun la Soare, ar trebui să existe o altă planetă. orbitând în jurul Soarelui. Dimensiunea sa, conform oamenilor de știință, este de 10 ori diametrul Pământului. Cu toate acestea, pentru a fi pe deplin convinși de existența gigantului îndepărtat, este încă necesar să-l vedeți cu un telescop.

Vineri dimineața, 14 iulie, la Conferința Internațională pentru Tehnologii Cuantice, Mikhail Lukin, co-fondator al Centrului Cuantic Rus și profesor la Universitatea Harvard, a vorbit despre crearea unui computer cuantic de 51 de qubiți complet programabil de către grupul său de cercetare. La prima vedere, acest rezultat poate fi numit o descoperire bruscă în acest domeniu - giganți precum Google și IBM se apropie doar de pragul de 50 de qubiți într-un computer cuantic. Chiar ieri, pe serverul de preprintare arXiv.org a apărut o descriere detaliată a experimentului. Editorial N+1 Am decis să-mi dau seama ce s-a întâmplat și la ce să mă aștept de la noul computer cuantic.

Pe scurt despre calculatoarele cuantice - universale și non-universale

Cum este un computer de 51 de qubiți?

Să ne uităm la sistemul creat de fizicieni în noua lor lucrare. Rolul qubiților în ea este jucat de atomii reci de rubidiu capturați într-o capcană optică. Capcana în sine este o serie de 101 pensete optice (raze laser focalizate). Atomul este ținut într-o poziție de echilibru de pensete datorită gradientului câmpului electric - este atras de regiunea cu intensitatea maximă a câmpului electric, care este situată în punctul focal al pensei. Deoarece toate pensetele sunt aliniate într-un rând, toți atomii qubit ai computerului sunt, de asemenea, aliniați într-un lanț.

„Zero” pentru fiecare dintre atomii de rubidiu este starea sa fundamentală, neexcitată. „Unul” este un stat Rydberg special pregătit. Aceasta este o stare excitată în care electronul exterior al rubidiului este foarte departe de nucleu (în orbitalul 50, 100, 1000), dar rămâne asociat cu acesta. Datorită razei lor mari, atomii Rydberg încep să interacționeze (respingă) la distanțe mult mai mari decât cei obișnuiți. Această repulsie face posibilă transformarea unui rând de 51 de atomi de rubidiu într-un lanț de particule care interacționează puternic.

Pentru a controla stările qubiților, este utilizat un sistem separat de lasere, capabil să-i excite în starea Rydberg. Caracteristica principală și cea mai importantă a noului computer este capacitatea de a aborda în mod direct fiecare dintre cei 51 de qubiți. Există, de asemenea, ansambluri mai complexe de atomi în care se observă stări cuantice încurcate (am vorbit recent despre 16 milioane de atomi încâlciți prin interacțiunea cu un singur foton), iar simulări cuantice au fost efectuate pe mai mult de o sută de atomi reci. Dar în toate aceste cazuri, oamenii de știință nu au avut nicio modalitate de a controla cu acuratețe sistemul. De aceea, noul sistem se numește computer cuantic complet programabil.

Fiecare calcul pe un computer cuantic este, într-un fel, o simulare a unui sistem cuantic real. Partea principală a noii lucrări este dedicată modelării unui sistem cuantic binecunoscut - modelul Ising. Descrie un lanț (în acest caz) de particule cu spinuri diferite de zero (momente magnetice) care interacționează cu vecinii lor. Modelul Ising este adesea folosit pentru a descrie magnetismul și tranzițiile magnetice în solide.

Experimentul a fost structurat după cum urmează. În primul rând, particulele au fost răcite și capturate cu pensete optice. Acesta este un proces probabilistic, așa că la început matricea de particule a fost haotică. O secvență de măsurători și ajustări a fost apoi utilizată pentru a crea o matrice fără defecte de peste 50 de atomi reci în starea fundamentală neexcitată. În etapa următoare, pensetele optice au fost oprite și, în același timp, sistemul a fost pornit, excitând atomii în starea Rydberg. De ceva timp, sistemul a evoluat sub influența forțelor van der Waals - atomii au ocupat pozițiile cele mai „conveniente” pentru ei, după care pensetele au fost pornite din nou și rezultatul evoluției a fost studiat.

În funcție de cât de aproape erau atomii reci de pulsul excitant, fizicienii au observat rezultate evolutive diferite. Acest lucru se datorează faptului că atomii Rydberg sunt capabili să suprime excitația vecinilor stărilor Rydberg (datorită repulsiei puternice). Oamenii de știință au observat sisteme în care atomii, după evoluție, erau ordonați în așa fel încât între fiecare pereche de atomi Rydberg vecini să existe strict unul, strict doi sau strict trei obișnuiți.

Interesant este că formarea unor structuri foarte ordonate după evoluția liberă s-a produs cu o probabilitate foarte mare - chiar și în cazul unei matrice de 51 de atomi reci.

Pentru a vedea cum are loc procesul de evoluție, oamenii de știință au pornit penseta și au „fotografiat” sistemul în diferite momente în timp. S-a dovedit că în unele cazuri evoluția către o stare de echilibru s-a produs foarte lent: sistemul a oscilat mult timp între mai multe stări. Acest rezultat poate fi confirmat prin simulări clasice brute, care implică interacțiuni între atomi vecini și următori în analiză.

Este acest lucru util?

Acesta este unul dintre acele cazuri în care modelarea cuantică prezice un efect cu adevărat nou. Este demn de remarcat faptul că este imposibil să simulați cu acuratețe un sistem de 51 de atomi reci folosind un computer clasic. Pentru a descrie doar toate stările posibile, vor fi necesari 2 51 de biți de RAM (aproximativ un petabyte). Acest efect a fost confirmat doar de simulări brute pe un computer clasic.

Interesant este că în calculele chimice cuantice apare exact situația opusă - calculatoarele clasice oferă doar o estimare aproximativă a proprietăților sistemelor complexe, cheltuind resurse de calcul enorme pentru aceasta. În același timp, analiza directă a acestor sisteme cuantice, fără îndoială, oferă un rezultat precis.

Pentru ce altceva este util?

La sfârșitul preprintului, autorii oferă în mod tradițional o listă de domenii în care noua dezvoltare poate fi utilă. Putem enumera câteva dintre ele: crearea de suprapuneri formate dintr-un număr mare de particule, studiul stărilor topologice în sistemele de spin. Fizicienii notează în mod special că algoritmul este potrivit pentru rezolvarea problemelor de optimizare a sistemelor ale căror dimensiuni depășesc în mod evident raza computerelor convenționale. Aceste sarcini includ modelarea reacțiilor chimice și predarea.

Sistemul creat de Mikhail Lukin și colegii săi funcționează acum ca un simulator cuantic - simulează sisteme similare cu el însuși. Cu toate acestea, merită remarcat faptul că pe perechile individuale de atomi Rydberg, fizicienii au reușit deja să creeze porți logice CNOT utilizate pentru a crea încurcare. Prin urmare, putem spune că unii algoritmi simpli pot fi implementați în noul sistem (de exemplu, algoritmul Deutsch, sau algoritmul Shor pentru numere foarte mici). Cu toate acestea, în această etapă, acești algoritmi nu vor fi utili.

Mikhail Lukin (stânga) și John Martinis (dreapta) - șef al echipei de dezvoltare a unui computer cuantic de 49 de qubiți la Google

Centrul cuantic rusesc

Într-un fel, noul dispozitiv este deja capabil să rezolve probleme care sunt inaccesibile computerelor clasice - nu poate fi simulat cu precizie de computerele convenționale. Dar este prea devreme să vorbim despre superioritatea cuantică utilă, care va fi deja utilă în probleme aplicate. Mulți oameni de știință notează că cursa pentru supremația cuantică acum nu aduce nimic util din punctul de vedere al problemelor aplicate de calcul.

Este demn de remarcat faptul că experimentele cu atomi în rețele optice deja cu câțiva ani în urmă au depășit capacitatea de modelare precisă de către computerele clasice. Ei folosesc zeci de particule interconectate. De exemplu, cu ajutorul lor, fenomenele de cooperare cuantică legate de superfluiditate și supraconductivitate. Este aceasta supremație cuantică?

Vladimir Korolev

MOSCOVA, 14 iulie- Știri RIA. Oamenii de știință ruși și americani care lucrează la Harvard au creat și testat primul computer cuantic din lume, format din 51 de qubiți. Dispozitivul este până acum cel mai complex sistem de calcul de acest gen, a declarat profesorul de la Universitatea Harvard și cofondatorul Centrului Cuantic Rus (RCC) Mikhail Lukin.

Fizicianul a anunțat acest lucru în timp ce prezenta un raport la Conferința internațională privind tehnologiile cuantice ICQT-2017, care are loc sub auspiciile RQC la Moscova. Această realizare a permis grupului lui Lukin să devină lider în cursa pentru crearea unui computer cuantic cu drepturi depline, care are loc neoficial de câțiva ani între mai multe grupuri de fizicieni de top din lume.

Calculatoarele cuantice sunt dispozitive de calcul speciale a căror putere crește exponențial utilizând legile mecanicii cuantice pentru a funcționa. Toate astfel de dispozitive constau din qubiți - celule de memorie și, în același timp, module de calcul primitive capabile să stocheze un spectru de valori între zero și unu.

Astăzi există două abordări principale ale dezvoltării unor astfel de dispozitive - clasică și adiabatică. Susținătorii primei dintre ele încearcă să creeze un computer cuantic universal, cubiții în care ar urma aceleași reguli după care funcționează dispozitivele digitale obișnuite. Lucrul cu un astfel de dispozitiv de calcul nu ar fi, în mod ideal, foarte diferit de modul în care inginerii și programatorii operează computerele convenționale. Un computer adiabatic este mai ușor de creat, dar principiile sale de funcționare sunt mai apropiate de computerele analogice de la începutul secolului al XX-lea, decât de dispozitivele digitale moderne.

Anul trecut, mai multe echipe de oameni de știință și ingineri din SUA, Australia și mai multe țări europene au anunțat că sunt aproape de a crea o astfel de mașină. Liderul acestei curse informale a fost considerat a fi echipa lui John Martinis de la Google, care dezvolta o versiune „hibridă” neobișnuită a unui computer cuantic universal, combinând elemente ale unei abordări analogice și digitale a unor astfel de calcule.

Lukin și colegii săi de la RCC și de la Harvard au ocolit grupul lui Martinis, care, așa cum a spus Martinis pentru RIA Novosti, lucrează acum la crearea unui computer de 22 de qubiți care nu utilizează supraconductori, cum ar fi oamenii de știință de la Google, ci „atomi reci” exotici.

După cum au descoperit oamenii de știință ruși și americani, un set de atomi ținuți în „cuști” speciale cu laser și răciți la temperaturi ultra-scăzute pot fi folosiți ca qubiți pentru un computer cuantic, menținând funcționarea stabilă într-o gamă destul de largă de condiții. Acest lucru a permis fizicienilor să creeze cel mai mare computer cuantic de până acum, constând din 51 de qubiți.

Folosind un set de qubits similari, echipa lui Lukin a rezolvat deja mai multe probleme fizice care sunt extrem de greu de simulat folosind supercalculatoare „clasice”. De exemplu, oamenii de știință ruși și americani au reușit să calculeze modul în care se comportă un nor mare de particule interconectate și să descopere efecte necunoscute anterior care au loc în el. S-a dovedit că atunci când excitația scade, anumite tipuri de oscilații pot rămâne și pot fi menținute practic la nesfârșit în sistem, ceea ce oamenii de știință nu bănuiseră anterior.

Pentru a verifica rezultatele acestor calcule, Lukin și colegii săi au trebuit să dezvolte un algoritm special care a făcut posibilă efectuarea unor calcule similare într-o formă foarte grosieră pe computere obișnuite. Rezultatele au fost în general consistente, confirmând că sistemul de 51 de qubiți al oamenilor de știință de la Harvard funcționează în practică.

În viitorul apropiat, oamenii de știință intenționează să continue experimentele cu un computer cuantic. Lukin nu exclude ca echipa sa să încerce să ruleze celebrul algoritm cuantic al lui Shor, ceea ce face posibilă spargerea majorității sistemelor de criptare existente bazate pe algoritmul RSA. Potrivit lui Lukin, un articol cu ​​primele rezultate ale unui computer cuantic a fost deja acceptat pentru publicare într-una dintre revistele științifice evaluate de colegi.

Echipa lui Mikhail Lukin a creat unul dintre cele mai puternice computere cuantice în 2017. Cu ajutorul unui om de știință, RBC își dă seama care sunt criteriile de succes în cursa cuantică și când să se aștepte la supremația cuantică

În urmă cu douăzeci de ani, calculatoarele cuantice erau considerate science fiction, dar în curând ele nu ne vor surprinde mai mult decât un computer obișnuit. „Cred că în cinci până la zece ani va fi imposibil să se facă fără tehnologii cuantice în multe domenii ale activității umane”, spune profesorul de la Harvard Mikhail Lukin, a cărui echipă a creat unul dintre cele mai puternice computere cuantice în 2017.

Mikhail Lukin a plecat în America cu aproximativ un sfert de secol în urmă. În 1993, un absolvent al Facultății de Fizică și Electronică Cuantică a MIPT a fost invitat la școala absolventă la Universitatea Texas A&M de către Marlan Scully, un cercetător de renume mondial în domeniul opticii cuantice. În Texas, în 1998, Lukin și-a susținut disertația despre utilizarea laserelor pentru controlul mediului. Dar Mikhail Lukin a făcut principalele sale experimente științifice în următorul deceniu la Universitatea Harvard. Aici a devenit profesor de fizică, apoi co-director al Centrului Harvard pentru Fizică Cuantică și al Centrului pentru Atomi Ultrareci.

„Am fost foarte norocos: m-am trezit la Harvard în condiții speciale. Un post-doctorat obișnuit (un om de știință care a primit recent o diplomă de doctorat, care corespunde aproximativ unui candidat rus la științe. - RBC) trebuie să lucreze într-un singur grup științific și să fie angajat într-un proiect specific de înaltă specializare. Am avut libertate deplină”, a declarat Lukin pentru revista RBC.

Lukin spune că el și colegii săi au fost rugați de multe ori să lucreze pentru corporații care au intrat în cursa pentru a crea un computer cuantic, dar refuză invariabil: „Aș spune că de departe cea mai creativă activitate în acest domeniu se întâmplă încă în universități. .”

Într-o atmosferă de „permisivitate de lucru” în ultimii 16 ani, omul de știință și grupul său au desfășurat experimente care au uimit lumea științifică: precum oprirea luminii sau crearea de molecule fotonice - materie asemănătoare cu sabiile laser din Războiul Stelelor - și cristale de timp. , structurile, înainte existau doar în teorie. În acești ani, el a alimentat și ideea unui experiment de calcul cuantic, care în vara lui 2017 l-a făcut pe Lukin și laboratorul său celebri în întreaga lume.

Știința informației cuantice

La începutul anilor 1990, nimeni nu a luat în serios ideea de a crea computere cuantice, chiar și în comunitatea științifică, spune Lukin: „Dar apoi, ca să spunem așa, s-au produs simultan două revoluții”.

În 1994, americanul Peter Shor a dezvoltat un algoritm de factorizare cuantică, numit ulterior după el. „Înmulțirea a două numere prime, chiar și a celor foarte mari, este ușoară, dar găsirea factorilor primi care împart un număr mare este o sarcină foarte dificilă pentru un computer. Factorizarea stă la baza oricărei criptografii moderne”, explică Lukin.

Foto: Foto: Sasha Maslov pentru RBC

Calculatoarele obișnuite sunt capabile să distrugă sistemele criptografice moderne, dar necesită atât de multe resurse și timp încât rezultatul este inutil. Un computer cuantic va fi capabil să rezolve astfel de probleme aproape instantaneu, iar algoritmul lui Shor a devenit prima dovadă a semnificației practice a creării unor astfel de dispozitive. „În al doilea rând, în același timp, au avut loc schimbări majore în fizica experimentală: oamenii de știință au învățat cum să răcească bine atomii și să izoleze particule individuale”, continuă Lukin.

În același punct de cotitură pentru calculatoarele cuantice, 1994, a fost publicat un articol științific de către doi fizicieni europeni, Peter Zoller și Juan Ignacio Sirac, în care au descris un computer cuantic folosind o capcană de ioni. „Știința informației cuantice era abia la început, alți cercetători aveau doar idei abstracte pentru calculatoarele cuantice, nimeni nu s-a gândit în mod serios dacă ar putea fi făcut sau nu. Publicarea lui Zoller și Sirak a schimbat totul: a devenit clar că este posibil să se construiască un computer cuantic și chiar a apărut o propunere specifică despre cum”, își amintește Lukin.

Mihail i-a întâlnit pe autorii articolului la începutul anilor 2000: „Erau deja oameni celebri, iar eu eram un tânăr aspirant de știință. Dar s-a dovedit că ideile noastre sunt foarte asemănătoare. Ne-am unit forțele și am scris o serie de articole în care am descris teoretic ideile care au stat la baza muncii noastre practice de astăzi.”

În anii 2000, multe grupuri științifice au început să efectueze experimente pe supraconductori - materiale care pierd complet rezistența electrică la temperaturi scăzute. Grupul lui Lukin, la rândul său, a decis să încerce să se concentreze pe „atomi reci” – particule răcite la zero aproape absolut și plasate în capcane optice create de lasere. Dacă sunt îndeplinite condițiile necesare, aceștia pot fi utilizați ca biți cuantici destul de stabili (qubiți).

Lukin nu a îndrăznit să facă un adevărat computer cuantic la mijlocul anilor 2000: proiectul părea prea riscant și lipsa bazei tehnologice. De câțiva ani, grupul său de la Harvard a studiat alte modalități de a face qubiți pentru un computer cuantic - de exemplu, din impuritățile din diamant. Din astfel de cercetări au apărut și alte proiecte practice: de exemplu, foști studenți ai profesorului și-au dat seama cum să facă senzori cuantici pentru medicină din diamante.

În anii 2010, calculul cuantic nu a mai fost discutat exclusiv în laboratoarele centrelor de cercetare, marile companii IT au devenit serios interesate de ea.

Cuantum real

Cu câțiva ani în urmă, nu numai IBM, care studiase de mult acest domeniu, ci și Google, Intel și Microsoft, care nu fuseseră observate anterior în ea, și-au anunțat intenția de a construi prototipuri funcționale de calculatoare cuantice.
În același timp, compania canadiană D-Wave produce și vinde „calculatoare cuantice reale” din 2011 - mai întâi cu o capacitate de 16, apoi 28, iar după câțiva ani - 512 qubiți. Astăzi, compania oferă deja calculatoare de 2000 de qubiți. D-Wave are un bazin serios de cumpărători: Google, NASA, Lockheed Martin, Volkswagen Group. Pentru cei neinițiați li se poate părea că viitorul cuantic a sosit deja - da și nu.

D-Wave produce așa-numitele calculatoare adiabatice - pentru a înțelege diferențele dintre acestea față de computerele cuantice cu drepturi depline, va trebui să citiți cel puțin un curs scurt de fizică cuantică. Într-un sens aplicat, diferența este că computerele D-Wave sunt capabile să rezolve doar o gamă foarte restrânsă de probleme de optimizare. La Google, de exemplu, au selectat o problemă pentru computerul D-Wave, pe care un computer adiabatic a rezolvat-o de milioane de ori mai repede decât unul clasic. Dar era imposibil să se obțină beneficii reale din acest lucru, iar mașina nu era menită să rezolve alte probleme.
Progresul în domeniul creării de calculatoare cuantice „adevărate” este mai modest: până de curând, puterea acestora nu depășea 17-20 de qubiți, iar Lukin spune că în urmă cu câțiva ani nu credea în posibilitatea de a crea un dispozitiv cu mai multe putere. Dar în vara lui 2017, grupul lui Lukin a anunțat crearea unui prototip funcțional al unui simulator cuantic de 51 de qubiți și, literalmente, o lună mai târziu, grupul profesorului Christopher Monroe de la Universitatea din Maryland a anunțat crearea unui simulator de 53 de qubiți. Dispozitivele și rezultatele primelor experimente efectuate pe acestea sunt descrise într-un articol publicat în revista Nature la sfârșitul lunii noiembrie.

Atomii din capcane optice și supraconductori sunt astăzi cele două tehnologii pentru crearea computerelor cuantice care sunt înaintea tuturor celorlalte tehnologii, a declarat profesorul Christopher Monroe pentru revista RBC. „Ambele abordări sunt acum într-un punct în care avem o înțelegere clară a modului în care să construim dispozitive destul de mari și idei despre cum să le extindem”, a spus el. „Superconductorii au arătat performanțe mai scăzute până acum, dar din moment ce qubiții sunt imprimați pe un cip, sunt mai ușor de scalat. Atomii sunt mai ușor de lucrat, deoarece fiecare qubit atomic este identic prin definiție. Există și alte tehnologii similare care ne ajung din urmă, inclusiv qubiții atomici neutri, care sunt fabricați de grupul lui Mikhail Lukin.”

Cursa pentru qubiți

Numărul de qubiți pare o măsură simplă și directă a succesului, dar în fizica cuantică nimic nu este simplu sau direct. Numărul de qubiți este doar una dintre cele trei „axe” pe care este construit un computer cuantic, explică profesorul Lukin. Al doilea este coerența, capacitatea qubiților de a fi într-o stare de suprapunere (amintiți-vă de pisica lui Schrödinger), de a fi atât zero, cât și unul în același timp - întreaga teorie a calculului cuantic se bazează pe acest fenomen al mecanicii cuantice.

Această capacitate determină timpul în care mașina poate funcționa: cu cât timpul de coerență este mai lung, cu atât computerul poate efectua mai multe calcule. „Dacă aveți un milion de qubiți, dar nu puteți efectua un număr suficient de operații pe ei, atunci nu veți avea un computer cuantic. De exemplu, în calculatoarele D-Wave, fiecare dintre qubiții inițiali are o coerență atât de scăzută încât nu este clar dacă există sau nu proprietăți cuantice acolo”, spune Lukin.

În cele din urmă, a treia „axă” este gradul de programabilitate; descrie câte probleme de diferite tipuri pot fi rezolvate folosind un computer cuantic, continuă Lukin. „Simulatorul nostru are o coerență destul de bună și un număr destul de mare de qubiți, dar alte sisteme au toate acestea. Important este că am reușit să facem un sistem cu un grad ridicat de programabilitate”, spune el.

Diferența dintre un simulator cuantic și un computer cuantic de uz general este că primul poate fi programat pentru a îndeplini doar un anumit tip de sarcină, explică profesorul Monroe: „Dar frumusețea este că simulatorul poate fi transformat într-un computer de uz general. în viitor." Adevărat, nu este întotdeauna posibil să tragem o linie clară între ele, adaugă Lukin.

„Un simulator cuantic care poate fi programat în orice fel devine universal. Se pare că linia dintre un computer și un simulator este foarte neclară, iar acum nu este clar dacă poate fi definită deloc. Dar acest lucru este normal, acum suntem literalmente în fruntea științei și asta se întâmplă cu toate fenomenele noi”, explică omul de știință.

Optimism fără dovezi

Nici măcar oamenii de știință nu s-au angajat încă să contureze întreaga gamă de sarcini în care un computer cuantic va fi superior unui computer convențional. „Algoritmul lui Shor este unic într-un anumit sens, deoarece aceasta este una dintre puținele sarcini despre care știm cu siguranță că un computer cuantic îl poate descurca mai bine decât unul convențional, acest lucru a fost dovedit. Există mulți alți algoritmi foarte promițători, inclusiv pentru aceeași optimizare combinatorie, pentru care nu există încă dovezi”, ridică Lukin din umeri.

Foto: Foto: Sasha Maslov pentru RBC

Pe de o parte, algoritmul lui Shor și inevitabilitatea hackării cuantice a sistemelor de securitate a informațiilor criptografice au atras sume mari de bani guvernamentali în această zonă. Lider în acest sens este China, care a promis recent că va investi 11,5 miliarde de dolari în construirea unui nou centru cuantic. Pe de altă parte, descifrarea codurilor va fi o parte importantă, dar mică, din ceea ce pot face computerele cuantice, speră Lukin. „Ceea ce nu îmi place la algoritmul lui Shor este că este în principal distructiv. Cu toate acestea, sunt sigur că chiar înainte de a fi implementat, un computer cuantic va avea timp să aducă multe beneficii omenirii”, spune el.

Într-o lucrare publicată în revista Nature la sfârșitul lunii noiembrie, oamenii de știință au raportat că au putut vedea formarea cristalelor cuantice - un material care poate fi folosit pentru a crea memorie cuantică în computerele cuantice. „Ceea ce am făcut nu poate fi simulat direct pe computerele clasice; din acest punct de vedere, putem spune că superioritatea cuantică a fost deja demonstrată”, spune Lukin. „Acest lucru este important pentru știință: am atins deja limita în care computerele cuantice încep să fie utile.”

Se crede că supremația cuantică va fi atinsă atunci când calculatoarele cuantice pot gestiona problemele practice mai bine decât supercalculatoarele clasice. Puterea computerelor clasice este în continuă creștere, dar există o clasă de sarcini cărora încă nu au suficiente resurse pentru a le face față, iar acest lucru nu poate fi corectat prin simpla creștere a capacităților lor de calcul, explică Lukin. Printre acestea, de exemplu, sunt probleme de optimizare combinatorie care există în orice domeniu.

„Exemplul clasic este problema vânzătorului ambulant. Să ne imaginăm că Aeroflot dorește să optimizeze rutele de zbor astfel încât să cheltuiască mai puțin combustibil și, în același timp, să acopere un teritoriu mai mare și să facă zborurile convenabile pentru pasageri. Un computer clasic nu face față bine acestui tip de problemă; este prea complex pentru el, cu prea multe răspunsuri posibile. Tot ceea ce poate face este să încerce diferite opțiuni una câte una, acest lucru necesită mult timp și necesită multă putere”, explică Lukin.

Un computer cuantic este capabil să parcurgă aceste opțiuni nu secvențial, ci în paralel, ceea ce accelerează fantastic procesul de calcul - literalmente minute în loc de ani. Rezolvarea eficientă a unor astfel de probleme este extrem de importantă pentru domeniile moderne ale informaticii, de exemplu, inteligența artificială sau învățarea automată, adaugă Lukin.

Printre alte aplicații posibile ale unui computer cuantic, fizicienii numesc modelarea noilor materiale cu proprietăți specificate și diferite procese chimice. „Chiar și reacțiile chimice simple sunt foarte greu de simulat pe computerele clasice, deoarece există atât de multe opțiuni pentru apariția lor”, explică Lukin. „Cel mai probabil, computerele cuantice vor putea face acest lucru.” Și creșterea eficienței unei reacții chimice cu literalmente câteva procente poate crea o nouă industrie.” Monroe este, de asemenea, de acord cu el: vede principalele perspective pentru calculul cuantic în logistică, crearea de noi materiale și medicamente în produse farmaceutice, precum și într-o mare varietate de optimizare.

Internet cuantic

Una dintre principalele probleme pe care fizicienii și inginerii trebuie să le rezolve este scalarea computerelor cuantice. „Astăzi nu știm exact cum să scalam aceste sisteme peste aproximativ 1 mie de qubiți. Există idei diferite, cea mai promițătoare dintre ele, după părerea mea, este ideea de arhitectură modulară”, spune Lukin. „În loc să adăugăm din ce în ce mai mulți qubiți la o singură mașină, creăm o rețea de calculatoare cuantice. Fiecare computer, cu o putere de câteva sute de qubiți, este conectat la ceva de genul „internet cuantic”. Mai multe grupuri lucrează în prezent la concepte similare, inclusiv grupul lui Lukin, dar toate sunt în stadii relativ incipiente.

Există aproximativ 30 de oameni care lucrează în grupul lui Mikhail Harvard, dar sunt mult mai mulți oameni care lucrează la simulatorul cuantic: acesta a fost creat prin eforturile comune a trei laboratoare științifice. În total, potrivit lui Lukin, există aproximativ zece centre similare în lume, unde au loc dezvoltări în fruntea tehnologiilor cuantice. Cei mai mulți dintre ei se îndepărtează acum de la experimentele pur fizice către dezvoltări practice, iar rolul corporațiilor este din ce în ce mai în creștere. „Pe lângă știința pură, acum trebuie să rezolvăm probleme de inginerie care pot fi clar definite, iar acest lucru se face mult mai rapid și mai eficient în companii decât în ​​universități”, spune Lukin. „Știm deja cum să construim un computer cuantic suficient de mare, acum trebuie să ne asigurăm că sistemul funcționează nu la nivelul „doar un student absolvent își poate da seama”, ci la nivelul „vino, porniți-l”. , funcționează." Aici companiile private sunt foarte puternice și găsesc aplicații practice.”

În următorii cinci ani, vor fi create multe mașini cuantice funcționale, Monroe este sigur. Și în zece ani va exista un computer cuantic cu drepturi depline, programat de oameni care nu știu și nu le pasă în mod special de modul în care funcționează în interior, crede el: „Aceasta va începe căutarea aplicațiilor sale practice reale”. Acum, calculatoarele cuantice universale cu câteva zeci de qubiți pot funcționa doar cu algoritmi creați artificial, continuă Monroe: „Și acest lucru nu este atât de interesant, deoarece un sistem atât de mic poate fi simulat cu ușurință pe un computer obișnuit”.

Calculatoarele cuantice se află în același stadiu în care se aflau primele computere clasice la vremea lor, spune Lukin: „Peter Shor însuși vorbește adesea despre asta: apoi au existat și câteva idei despre algoritmi care, poate, ar funcționa eficient și poate nu”. . Când primele computere clasice au devenit dispozitive reale, oamenii de știință și inginerii au început să testeze acești algoritmi pe ele, iar mulți dintre ei s-au dovedit a fi foarte eficienți, Lukin spune: „Cred că același lucru se va întâmpla cu algoritmii cuantici”.

Va deveni un computer cuantic un dispozitiv la fel de obișnuit precum a devenit un computer obișnuit? Deși nimeni nu știe acest lucru, totul va depinde de exemple și aplicații specifice care pot deveni parte din viața noastră, răspunde Mikhail Lukin. „Cine ar fi crezut chiar și acum 20 de ani că acesta ar fi un computer adevărat”, conchide el, arătând spre telefonul mobil din fața lui.