Канадско-европейская команда физиков устранила ключевую проблему на пути создания сверхбыстрых настольных квантовых компьютеров. Ученые заставили ячейки памяти — квантовые биты или кубиты — долговременно хранить информацию при комнатной температуре.
До сих пор удавалось создавать кубиты, способные стабильно хранить информацию только при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. В комнатных условиях рекорд составлял несколько секунд.
Создав новый тип ячеек памяти из атомов фосфора, встроенных в очень чистый кристалл кремния, ученые получили отличный трехчасовой результат работы в охлажденной системе и решили проверить, как изобретенные кубиты поведут себя при «разморозке». К удивлению, при повышении температуры с -269 до 25 градусов по Цельсию они не только не потеряли свое содержимое, но и продолжали сохранять работоспособное состояние на протяжении 39 минут.
Пока в ячейки памяти нового типа нельзя ни занести, ни считать данные при комнатной температуре — требуется глубокая заморозка с использованием громоздкого охлаждающего оборудования. Однако ученые уверены, что им удастся избавить квантовые компьютеры от этого ограничения в ближайшем будущем.
«Нам удалось найти систему, в которой практически не существует шума, что позволило создать высокопроизводительные кубиты. Теперь нам нужно заставить эти ячейки памяти общаться друг с другом, что является последней ключевой проблемой на пути создания квантового компьютера. Это уже, скорее, инженерная, чем научная задача», — прокомментировала открытие один из авторов эксперимента Стефани Симмонс, сотрудница Оксфордского университета.
Квантовые компьютеры используют для хранения информации и вычислений атомы и субатомные частицы. На этом уровне действуют законы квантовой физики, радикально отличающейся от классической.
В современных компьютерах, кодирующих данные при помощи плюсового или минусового электрического заряда, ячейки памяти — биты, могут содержать только одно из возможных значений: 0 или 1. Кубиты же, благодаря способности субатомных частиц пребывать одновременно в двух различных состояниях, могут одновременно содержать и 0, и 1.
Благодаря этому свойству (суперпозиции), квантовый компьютер способен производить параллельные вычисления — брать все возможные параметры задачи (хоть миллиард цифр), подставлять их в функцию, и за одно действие получать все возможные варианты решений. То есть одним махом решается проблема, на которую обычному компьютеру нужно потратить уйму времени, делая шаг за шагом миллиард вычислений.
По словам госпожи Симмонс, изобретенный кубит способен совершать сто тысяч операций в секунду. Полученный в ходе эксперимента 39-минутный результат означает, что он успеет выполнить 2 млн. операций прежде, чем стабильность системы успеет снизиться на 1%.
Теоретически, этого хватит для выполнения вычислений, которые обеспечат прорывы во многих областях. Ожидается, что квантовые компьютеры смогут разгадать любой криптографический шифр, или со 100%-ной точностью предсказать погоду на несколько месяцев вперед.
Создание стабильных кубитов позволит использовать их не только для вычислений, но и для хранения данных, что осуществит другие идеи научной фантастики, включая деньги, которые невозможно подделать. Квантовые банкноты, по замыслу продвинутых писателей, вместо водяных знаков можно будет защитить кубитами, скопировать которые нельзя в принципе — это противоречит законам квантовой физики.
Квантовые компьютеры уже давно перешли из области фантастики в реальный мир. Более того, канадская компания D-Wave утверждает, что в 2012 г. запустила их в массовое производство.
Выпускаемые D-Wave квантовые компьютеры имеют множество ограничений: их память не превышает 512 кубитов, решать они могут только узкоспециализированные задачи дискретной оптимизации, работать с ними можно только в специальной экранированной лаборатории, и цена таких устройств превышает $10 млн. за штуку.
Хотя квантовые компьютеры D-Wave свои специфические вычисления производят верно и в тысячи раз быстрее обычных суперкомпьютеров, скептики указывают на их сходство со средневековыми коробками, в которые шарлатаны помещали карликов с велосипедами и выдавали за вечные двигатели.
