Практически любой современный компьютер, от микроконтроллера в посудомоечной машине до серверов для систем искусственного интеллекта, работает на транзисторах. Миллиарды микроскопических элементов переключаются между двумя состояниями, которые обозначают нулём и единицей. На двоичной логике компьютеры хранят информацию, проводят вычисления и выполняют программы. Квантовые машины устроены иначе, но инженеры пока не нашли для них универсального строительного элемента, который можно было бы массово производить и без больших потерь объединять в огромные вычислительные системы.
Основой квантового компьютера служит кубит, квантовый аналог обычного бита. Классический бит принимает значение ноль или один, а кубит может находиться в суперпозиции нескольких состояний. Кубиты также можно связывать квантовой запутанностью, при которой состояния отдельных элементов оказываются взаимозависимыми. Сочетание нескольких квантовых эффектов позволяет строить алгоритмы для задач, с которыми обычные компьютеры справляются плохо или требуют слишком много времени и ресурсов.
Главная проблема возникает из-за хрупкости квантовых состояний. Кубит необходимо защищать от тепла, электромагнитных помех и случайных контактов с окружающей средой. Любое лишнее воздействие способно разрушить суперпозицию или запутанность и испортить вычисление. Одновременно инженерам нужно намеренно воздействовать на кубиты: менять состояния, связывать соседние элементы и считывать результат. Хорошая изоляция мешает управлению, а удобное управление повышает риск ошибок.
Единого ответа на вопрос, из чего лучше делать кубиты, пока нет. Часть разработчиков использует отдельные атомы, поскольку природа уже дала им стабильные квантовые уровни. Перед вычислением атом приходится изолировать от окружающей среды и удержать внутри вакуумной камеры. Для захвата частиц применяют два основных метода: ионные ловушки и оптические пинцеты для нейтральных атомов.
В ионном квантовом компьютере у атома удаляют один электрон. Атом получает положительный электрический заряд, после чего электрические поля удерживают получившийся ион в заданной области. Лабораторные установки позволяют работать даже с единственной частицей.
Один из наглядных экспериментов провели со стронцием. Стальные электроды в форме игл и пластин создавали электрическое поле, которое удерживало единственный ион примерно посередине двухмиллиметрового промежутка между остриями. На фотографии частица видна как светящаяся точка. Лазер непрерывно облучает ион, частица поглощает фотоны, а затем испускает свет, избавляясь от лишней энергии.
Крупные ловушки удобны для экспериментов с несколькими кубитами, но плохо подходят для систем с тысячами элементов. Чтобы разместить больше ионов, инженеры разрабатывают поверхностные ловушки. Ионы парят над микросхемой, а электрические поля создают тонкие золотые электроды на поверхности чипа.
В одной из поверхностных ловушек в чип встроили миниатюрный детектор фотонов. Детектор считывал состояние ионов бериллия, которые использовали как кубиты. Перенос части измерительной аппаратуры непосредственно на микросхему уменьшает число громоздких внешних компонентов и помогает уплотнять квантовую систему.
Другой способ оставляет атом электрически нейтральным. Частицы удерживают массивами очень узких лазерных лучей, которые называют оптическими пинцетами. Сфокусированный свет создаёт ловушку для отдельного атома, а перемещение лазерного фокуса позволяет менять положение частицы.
Для работы нейтрально-атомного квантового компьютера требуется сложная оптическая система. Одни лазеры захватывают атомы, другие помогают перемещать частицы, третьи управляют квантовыми состояниями или участвуют в измерении. Свет проходит через зеркала, линзы и оптические волокна. Дополнительные элементы разделяют лучи, направляют свет в нужные участки установки и поддерживают заданные параметры лазеров.
Атомы находятся внутри стеклянной вакуумной ячейки. Вокруг камеры размещают катушки, с помощью которых регулируют магнитное поле в области ловушек. Рядом устанавливают линзы и другие оптические элементы, фокусирующие лазерные лучи внутри камеры. Поэтому центральная часть нейтрально-атомного компьютера больше напоминает лабораторную оптическую установку, чем привычный процессор.
Оптические пинцеты позволяют переставлять атомы внутри массива и подводить выбранные пары кубитов друг к другу. Возможность менять геометрию системы исследователи демонстрировали ещё в 2018 году. Атомы собирали в трёхмерные структуры, включая гиперболоид, ленту Мёбиуса, сферу, напоминающую фуллерен, конус, тор и модель Эйфелевой башни.
Фигуры служили не украшением, а проверкой управления отдельными атомами. Для квантовых вычислений важно уметь выбирать, какие кубиты должны взаимодействовать в конкретный момент. Перестраиваемый массив позволяет менять расположение частиц без изготовления новой схемы с заранее заданными связями.
К 2025 году размеры атомных массивов достигли нескольких тысяч частиц. В одном эксперименте исследователи захватили 6100 индивидуально управляемых атомов цезия внутри массива оптических пинцетов диаметром один миллиметр. Закодированные в атомах кубиты долго сохраняли когерентность, то есть квантовое состояние не разрушалось слишком быстро.
Само количество захваченных атомов ещё не означает, что система способна выполнять вычисления на 6100 кубитах. В эксперименте квантовый алгоритм на всём массиве не запускали. Рекордное число кубитов, одновременно использованных для реального квантового алгоритма, остаётся значительно меньше. Главная трудность заключается не в захвате большого числа атомов, а в точном управлении всей системой во время вычислений.
Сверхпроводящие квантовые компьютеры идут другим путём. Вместо отдельных атомов инженеры создают искусственные квантовые схемы на кремниевых пластинах. Производство частично напоминает выпуск обычных микросхем: на чистый кремний наносят тонкие слои металлов и других материалов, формируя электрические цепи микрометрового масштаба.
В таких схемах используют, среди прочего, алюминий и ниобий. При очень низкой температуре металлы переходят в сверхпроводящее состояние, электрический ток начинает течь без обычного сопротивления, а правильно спроектированная цепь получает квантовые энергетические уровни. Два выбранных уровня можно использовать как состояния кубита.
Процессоры изготавливают в чистых помещениях, где воздух фильтруют от пыли и других частиц. Загрязнение поверхности способно изменить характеристики микроскопических элементов. После нанесения всех слоёв кремниевую пластину разрезают на отдельные чипы. Современный процессор IBM Nighthawk содержит 120 кубитов и дополнительные сверхпроводящие цепи, которые управляют связями между ними.
Ранние образцы были значительно меньше. Один экспериментальный чип начала 2010-х годов имел размеры шесть на шесть миллиметров и содержал четыре сверхпроводящих кубита. Возле каждого кубита проходила извилистая сверхпроводящая дорожка, работающая как резонатор для хранения квантовой информации. Более длинный зигзагообразный резонатор в центре обеспечивал связь между кубитами. Через внешние контакты поступали микроволновые импульсы для управления состояниями и измерения результата.
Изготовлением чипа работа не заканчивается. Сверхпроводящие кубиты необходимо охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю. Для охлаждения используют рефрижераторы растворения, внутри которых циркулирует смесь изотопов гелия. Несколько металлических ярусов последовательно снижают температуру до диапазона, где сверхпроводящие квантовые схемы могут нормально работать.
Уже в 2009 году эксперимент с двумя сверхпроводящими кубитами требовал отдельной криогенной установки. Чип закрепляли на медном блоке под нижней охлаждающей ступенью. Вокруг размещали несколько цилиндрических экранов. Экраны блокировали тепловое излучение, а вакуум уменьшал передачу тепла из окружающей среды.
Современные рефрижераторы содержат намного больше проводки. Кубитам нужны управляющие сигналы, а связи между отдельными элементами приходится точно настраивать. Поэтому от комнатной электроники к охлаждённому процессору идут многочисленные кабели. Проводам придают S-образные изгибы, чтобы компенсировать сокращение материалов при охлаждении и снизить механическое напряжение.
Каждый новый кубит увеличивает нагрузку на всю инфраструктуру. Нужно добавить управляющие линии, измерительные каналы, электронику и соединения, а затем разместить компоненты так, чтобы дополнительные помехи не разрушали квантовые состояния. Поэтому наращивание числа кубитов нельзя свести к простому увеличению площади процессора.
Нужный масштаб намного превосходит размеры большинства современных экспериментальных машин. Даже оптимистичные оценки для полезных отказоустойчивых квантовых компьютеров начинаются с десятков тысяч физических кубитов. Для некоторых архитектур и схем коррекции ошибок могут потребоваться миллионы.
Столь большое число связано прежде всего с ошибками. Физический кубит плохо хранит информацию по меркам обычной электроники: квантовое состояние постепенно теряет когерентность, а операции выполняются с ненулевой вероятностью ошибки. Поэтому один надёжный логический кубит приходится кодировать с помощью группы физических кубитов и постоянно исправлять возникающие сбои.
Разные платформы предлагают собственные преимущества и ограничения. Ионы позволяют использовать хорошо изученные атомные состояния, но требуют сложных электродных ловушек и систем управления. Нейтральные атомы можно собирать в крупные перестраиваемые массивы, однако лазерная аппаратура быстро усложняется при увеличении числа частиц. Сверхпроводящие схемы можно изготавливать методами, близкими к производству микрочипов, но процессор приходится охлаждать почти до абсолютного нуля и подключать к большому числу линий управления.
Поэтому нынешний квантовый компьютер состоит не из одного необычного процессора. Вокруг нескольких десятков, сотен или тысяч кубитов приходится строить вакуумные камеры, лазерные системы, оптические тракты, микроволновую электронику, электроды, криогенные установки и измерительную аппаратуру. Для практической машины инженерам предстоит увеличить число управляемых кубитов как минимум до десятков тысяч и одновременно удержать ошибки на уровне, при котором коррекция сможет сохранить результаты вычислений.