Шаг к квантовому компьютеру

Нобелевскую премию по физике в этом году получили Джон Кларк, Мишель Э. Деворе и Джон М. Мартинис — за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи. Как отмечает старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров, на этот раз премия снова связана с тематикой квантовых компьютеров. Работы в этом направлении ведут и новосибирские ученые.

«Нобелевскими лауреатами по физике — 2025 стали Джон Мартинис и его коллеги за исследование сверхпроводящих переходов Джозефсона. Идея состоит в следующем: если мы возьмем электрическую цепь и сделаем в ней разрез, то через этот разрыв электрический ток протекать не будет. Однако если охладить цепь до температуры жидкого гелия, то сквозь это нарушение смогут туннелировать электроны, соответственно, электрический ток вновь будет течь, как ни в чем ни бывало», — поясняет Илья Бетеров. При этом интересная особенность явления состоит в том, что электричество может двигаться как бы в двух направлениях одновременно, являясь квантовой суперпозицией — именно такой эффект позволил использовать сверхпроводящие переходы Джозефсона как логические элементы квантовых компьютеров. 

«Сегодня именно сверхпроводящие квантовые компьютеры являются одной из наиболее развитых платформ для экспериментальных квантовых вычислений. Такого подхода придерживаются компании IBM, Google, Microsoft и многие ведущие исследовательские центры в Китае, которые выступают в этой области совершенно на равных», — добавляет Илья Бетеров.

Есть и другие физические платформы (например, нейтральные атомы, которыми занимаются в ИФП СО РАН), но тем не менее в том, что касается технологической реализации, именно для сверхпроводящих квантовых компьютеров сегодня достигнут наибольший прогресс. «Так, компания IBM смогла создать сверхпроводящий квантовый процессор, который содержит больше тысячи кубитов», — приводит пример ученый.

«Имя Джона Мартиниса постоянно встречается на страницах научных журналов в последние годы, и наиболее яркое достижение, которое с ним связано, — демонстрация квантового превосходства, которая состоялась в 2019 году (это было сделано, когда Мартинис возглавил исследовательский центр компании Google по квантовым вычислениям)», — рассказывает Илья Бетеров. 

Идея квантового превосходства состоит в следующем. Дело в том, что до 2019 года любой существующий квантовый компьютер можно было смоделировать на классическом. По этой причине даже речи не могло идти о том, чтобы рассматривать практическое применение квантовых вычислений. Однако в 2019 году было показано, что существуют такие математические задачи, пусть пока абстрактные и не имеющие практического приложения, которые могут быть эффективно решены только на квантовом компьютере, а классический эти задачи решить в принципе не может. «Это квантовое превосходство еще более убедительно было подтверждено в китайских исследовательских центрах», — отмечает исследователь.

Исследования в области квантовых компьютеров ведутся и в Новосибирске «К тематике, отмеченной Нобелевской премией, наиболее близки научные направления ИФП СО РАН по квантовым вычислениям и по магнитометрии с применением СКВИДов — сверхпроводящих интерференционных устройств (СКВИДы, например, используют наши геологи для палеомагнитных работ), — комментирует Илья Бетеров. — Мы занимаемся элементной базой квантовых вычислений на нейтральных атомах, и эту платформу рассматриваем в качестве альтернативы, но у нас есть опыт реализации квантовых алгоритмов и на настоящих сверхпроводящих процессорах IBM. Тематикой сверхпроводящих кубитов в России занимаются главным образом в Москве, но у нас в Новосибирске есть один из ведущих теоретиков в этой области — профессор Новосибирского государственного технического университета доктор физико-математических наук Яков Симхонович Гринберг». 

В целом, по словам ученого, достижения в этой области производят очень большое впечатление:  это связано с тем, что она сейчас наиболее динамично развивается и появляется всё больше возможностей для управления квантовыми состояниями многочастичных квантовых систем. «В каком-то смысле экспериментальные достижения выглядят как самая настоящая научная фантастика, хотя о практических приложениях пока еще говорить рано», — заключает Илья Бетеров.

Подготовила Екатерина Пустолякова