Наскоро групата от Харвард на физика Михаил Лукин успя да създаде - всъщност, подобие на вещество, което се състои не от атоми, а от светлинни кванти. Това фундаментално откритие - по-рано възможността за фотонна материя се обсъждаше само теоретично - има пряко практическо приложение: въз основа на взаимодействащи фотони е възможно да се създаде изчислителна логика за квантови компютри. Въпреки че това е въпрос на далечно бъдеще, групата на Лукин вече работи върху създаването на комуникационни устройства за абсолютно сигурни комуникационни системи.

Михаил Лукин е професор в Харвардския университет и ръководител на Международния консултативен съвет на Руския квантов център. Той е един от най-цитираните физици от руски произход. Неговата група се занимава не само с фундаментални изследвания във фотониката, но и с нейните технологични приложения. И не само в областта на квантовите комуникации или квантовите изчисления, но и в приложението към медицината: това лято групата на Лукин създаде диаманти, които могат да се използват за селективно и контролирано убиване на ракови клетки. Lenta.ru разговаря с учения за това как едно ново откритие може да доближи появата на пълноценни квантови компютри, колко лесно фундаменталната физика може да се трансформира в медицински стартиращи компании и какво прави той за Сколково, докато работи в Бостън.

Lenta.ru: Последната ви статия говори за създаването на фотонна материя. Какво е?

Нека се опитам да обясня с един прост пример. Представете си два лазерни лъча, които пресичате един върху друг. Фотоните на тези лъчи не взаимодействат по никакъв начин; преминават един през друг, без да се влияят по никакъв начин, като две вълни на повърхността на езеро. Това се дължи на факта, че отделните кванти на светлината, фотоните, са фундаментално невзаимодействащи частици. Но ако пресечете същите лазерни лъчи не във вакуум, а в определена среда, например в стъкло, ситуацията ще се промени. Светлината от различни лъчи ще започне да си взаимодейства: лъчите леко ще се отклоняват един друг или скоростта на един лъч ще се променя в зависимост от интензитета на другия.

защо се случва това Факт е, че самата светлина променя средата, в която се разпространява. Обикновено много слабо, но има значение. Променената среда провежда електромагнитното излъчване по различен начин - и чрез нея фотоните взаимодействат.

Всичко това се знае от доста време. Клонът на физиката, който се занимава с такива взаимодействия, съществува от почти половин век и се нарича нелинейна оптика. Между другото, съветските учени имат голям принос за това. Досега обаче никой не е успял да накара отделни светлинни кванти, а не лазерни лъчи, да взаимодействат.

По принцип, теоретично, много хора са мислили за това преди. Преди около 20-30 години имаше теоретични прогнози за това какъв вид среда за разпространение на светлината ще трябва да бъде направена, за да принуди фотоните в нея да взаимодействат. Възможността за съществуването на такива екзотични обекти, двойки фотони - по същество фотонни молекули - беше предсказана. В тази статия в Природата, за който говориш, описахме как най-накрая успяхме да се сдобием с такива чифтове. Те всъщност се наричат ​​фотонна материя - поради факта, че силно наподобяват молекули, но се състоят не от атоми, а от фотони.

Тук трябва да се добави, че изследването на взаимодействащите фотони е интересно не само само по себе си. Има пряко практическо приложение в информационните технологии и комуникациите. Ето това е нещото. От една страна фактът, че фотоните обикновено не си взаимодействат е голямото им предимство като носител на информация. Но от друга страна, ако искаме по някакъв начин да обработим информацията, която се предава чрез светлина, тогава е необходимо да направим някои превключватели, някои логически елементи. И за това е необходимо фотоните по някакъв начин да взаимодействат помежду си. В днешно време светлината се използва главно само за предаване на информация, а за да се манипулира тя трябва да се преведе в някакъв вид електрически сигнал. Това е неудобно, бавно и неефективно. Така че, ако успеем да накараме фотоните да взаимодействат помежду си, можем да създадем изцяло фотонни устройства за обработка на информация.

Каква е средата, в която съществува фотонната материя?

В нашата настройка той се състои от охладени рубидиеви атоми, образуващи доста плътен атомен газ. В тази среда светлината се разпространява много бавно. Тоест, в сравнение с вакуум, скоростта на светлината пада във всяка среда, това е разбираемо, но в този случай фотоните почти спират - скоростта им е около сто метра в секунда. Ние публикувахме метода за такова „спиране на светлината“ през 2001 г. (Lenta.ru за тази работа).

Изображения: Ofer Firstenberg et al., Nature, 2013 г

Разпространявайки се в такава среда, фотоните изглежда влачат след себе си следа от атомни възбуждания. Поради това всъщност светлината се забавя. Но най-интересното е, че атомите в тази среда започват да взаимодействат помежду си толкова силно, че тези взаимодействия се пренасят върху фотоните и те, фотоните, сякаш започват да се привличат един към друг. В резултат на това фотоните, първо, придобиват ефективна маса и, второ, поради взаимно привличане, те образуват свързано състояние, което прилича на молекула. Законите, които описват поведението на фотоните в такава среда, са много подобни на законите, които описват поведението на частици с маса, масивни атоми.

Фотонната молекула, която успяхме да получим, е само началото, защото по принцип от тях могат да се създават по-сложни обекти. На първо място, сега се интересуваме от аналози на кристални структури, фотонни кристали.

Имате предвид фотонна материя, съдържаща не два фотона, а повече?

Не само повече, но и на редовни интервали. За да се получи такова състояние, фотоните трябва да отблъскват, а не да привличат. По принцип знаем как да постигнем това и мисля, че със сигурност в близко бъдеще могат да се правят малки кристали.

Двойките фотони, които сте получили, доколкото разбирам, са доста стабилни. Тоест, те, както всички фотони, не могат да бъдат спрени, те трябва да се движат в средата, но те съществуват по двойки за относително дълго време, не се свиват, не се превръщат в, да речем, един фотон с повишена енергия. В този случай, както казахте, в средата между тях възниква само сила на привличане, без отблъскване. защо се случва това

Работата е там, че това е квантова система. Спомнете си атомния модел на Бор, който тази година празнува стогодишнината си. В края на краищата в обикновен атом също има положително заредено ядро, има електрон и между тях няма сили на отблъскване, а само привличане. Електронът обаче не пада върху ядрото, както знаем.

Това се случва поради квантуването на енергията, което позволява на електрона да се движи около ядрото, без да се разпада. Абсолютно същата история се случва с нашите фотони. По принцип има само сила на привличане между тях, но тъй като това е квантова система, тя не се разпада, тя е в стабилно състояние. Ситуацията е много подобна на тази в молекулите с два атома. Тоест наименованието „фотонна материя“ за тези двойки частици е много оправдано - аналогията тук е доста дълбока.

В същия бр Природата, където се появи вашата статия, беше публикувана работата на Фукухара, където подобен ефект на сдвояване беше демонстриран не върху фотони, а върху магнони - виртуални магнитни частици.

Да, това беше направено от групата на Еманюел Блок в Института Макс Планк. Това наистина е много необичайно съвпадение, защото системите, върху които работим, са напълно различни, но ефектите, които виждаме, са удивително сходни.

Групата на Блок работи с атоми, фиксирани в оптичен капан. Това е доста добре позната система, която с помощта на няколко лазера прави възможно създаването на оптична решетка, в която атомите седят в потенциални дупки, така да се каже, като яйца в кутия. В първоначалното състояние всички тези атоми имат еднакъв спин, тоест тяхната магнитна поляризация е насочена в една посока. Излагайки тази среда на светлина, Блок и колегите му гарантират, че чифт атоми променят въртенето си на противоположното и след това тази инверсия започва да се разпространява по протежение на решетката във вълна.

В този случай се появи и двойка свързани частици, само че в техния случай те бяха магнони, а не фотони. Фактът, че магноните могат да съществуват в свързано състояние, беше известен по принцип преди. Но за първи път групата на Блок успя да проследи разпределението на тези свързани частици в средата. Вълновата функция на такова свързано състояние на частиците е много подобна на това, което видяхме за фотоните. Оказва се, че това е толкова универсален ефект.

Еманюел и аз наскоро се срещнахме на конференция. На закуска, когато му показах моите данни, възникна доста забавна ситуация: нашите данни се оказаха толкова сходни при напълно различни физически процеси, че всичко, което можех да направя, беше да кажа „уау“.

Да, но двойките магнони, за разлика от фотонната материя, са много по-малко удобни за използване в комуникациите. Моля, кажете ни какво може да се направи с фотонната материя на практика?

Приложната цел на нашата работа е създаването на фотонна логика. В системи, където отделни фотони могат да взаимодействат един с друг, можем да създадем, да речем, еднофотонни превключватели или еднофотонни транзистори. Едно от специфичните предизвикателства е да се подходи към създаването на квантов повторител – устройство, което позволява предаване на квантова информация, без да се разрушава нейната квантова природа.

Какво е квантов ретранслатор? Вие, разбира се, знаете за , при който информацията се предава с помощта на единични фотони в суперпозиция на две състояния. На теория предаването на ключ с помощта на единични фотони е напълно сигурна технология за криптиране, тъй като всеки опит на нападател да се намеси в системата и да прихване съобщението ще бъде забележим. Това всъщност прави квантовата криптография интересна. Във всички канали обаче има загуби, така че настоящата квантова комуникация е ограничена до разстоянието, на което повечето фотони не се губят - това са десетки или най-много стотици километри.

По принцип проблемът със загубите съществува и в класическите комуникации, но там той се решава с помощта на конвенционални повторители, които приемат сигнала, "почистват" го малко, повтарят го в усилен вид и го изпращат по-нататък по оптичната мрежа . За квантовата комуникация са необходими аналози на такива устройства. Но проблемът е, че ако изпратите информация, кодирана в един фотон, не можете да я „усилите“ ( Типичен пример е откриването на фотон с неизвестна поляризация - ако базата на измерване не съвпада с базата на поляризация на фотона, информацията просто ще бъде загубена - прибл. "Tapes.ru").

Квантовият повторител трябва да може да прави две основни неща. Първо, той трябва да може да съхранява квантовата информация, която се предава с фотони. За да постигнем това, ние всъщност работихме върху това, което се нарича „спиране на светлината“. Това всъщност беше практическата мотивация за нашата работа - опитахме се да спрем импулса, като записахме информацията му в атомно възбуждане.

Второ, за да направите този повторител, трябва да се научите как да правите логически превключватели за фотони, фотонна логика. И тези експерименти, които сега са публикувани, са пряко свързани със създаването на такава логика за квантови повторители.

Двойките фотони ли са кубитите в този компютър?

Не, кубитите са отделни фотони. И логиката ще бъде изградена на базата на тяхното свързване и разделяне на фотонни молекули. Тъй като можем да сдвояваме фотони, ние си представяме как да създадем превключвател, при който, да речем, присъствието на един фотон може да спре разпространението на друг. Вече можете да изградите изчислителна логика върху това.

Разбира се, тук има много работа. За да създадем превключвател, трябва многократно да подобрим взаимодействието между фотоните. Но ние вече показахме основния принцип и той работи. Сега можем да мислим в по-практичен план. Всъщност, в независим експеримент ние вече значително подобрихме дори качеството на взаимодействие (производителност), което беше получено в публикуваните експерименти.

Надяваме се, че използването на фотонна материя няма да се ограничи до квантовите ретранслатори. В бъдеще на тяхна база ще бъде възможно да се създадат пълноценни квантови компютри, които извършват изчисления. Това все още е много далечен хоризонт, защото за това е необходимо да се създадат стотици, може би дори хиляди кубити. И квантов ретранслатор е нашата текуща, доста осезаема, практическа цел.

Вие не се занимавате само с фотонна материя. През август говорихме за това как вашата група е измислила неочаквано приложение на диаманти със свободни места в азота. Обикновено те се използват като кубити, но вие сте направили термометри от тях дори не от клетки, а от отделните им части. Откъде дойде тази идея?

В наши дни различни системи се използват като носители на кубити. Това могат да бъдат например охладени свръхпроводящи резонатори, отделни йони или охладени атоми в оптичен капан. Или, в случая на тази работа, електрони в така наречените NV центрове. Физически NV центърът е просто дупка в диамантената кристална решетка, съществуваща до примес - азотен атом. Тези примеси съществуват и в обикновените диаманти, но можем да ги създадем и изкуствено чрез облъчване, например с азотни атоми. Освен това тези центрове могат да бъдат направени в много малки частици, диамантени нанокристали.

Електроните на NV центъра, ако той е разположен близо до повърхността, са много чувствителни към външната среда, нейната температура и магнитно поле. Грубо казано, от тези параметри зависи скоростта на тяхната квантова еволюция. От една страна, това е проблем за квантовите компютри - състоянието на системата става крехко, става трудно да се запази в такъв кубит. Но, от друга страна, такива NV центрове могат да се използват като изключително чувствителни сензори.

Това, което ги прави уникални е, че могат да бъдат много малки, което означава, че можем да измерваме полета и температура в много малки обеми. Естествено, ние се опитахме да използваме такива нанокристали за приложения, където микроскопичният размер е предимство. Например за спектроскопия на сложни биомолекули при стайна температура или за измерване на температурата на отделни части от клетка. В тази статия проучихме възможностите за използване на диамантени NV центрове специално като микроскопични термометри.

Такива нанокристали са не само напълно нов инструмент за биолозите. Освен това е потенциално метод за контролирано унищожаване на ракови клетки. И в този смисъл, пример за това как напълно фундаментално изследване, като „изследване на синьото небе“, може да доведе до разработването на реални приложения. Вече има няколко стартиращи компании, които се опитват да комерсиализират тази техника.

Това ли са вашите стартиращи фирми?

Единият от тях е създаден от бившия ми постдоктор, вторият от мой бивш студент. Аз участвам в тях само като външен съветник. Тоест знам малко какво се случва там. Много е вълнуващо да видим как изследванията се превръщат в приложения в реалния свят.

Вие оглавявате научно-консултативния съвет на Руския квантов център в Сколково, но самият вие не работите в Русия. Въпреки че много ваши колеги вече са се преместили тук. Как стана това?

Когато всъщност се създаде Сколково, те се опитаха да ми предложат да създам голяма лаборатория в Москва. Но аз изобщо не съм привърженик на изграждането на големи империи, струва ми се, че когато има огромни групи, в които работят стотици хора, тогава лидерът наистина не може да се занимава с наука, той трябва да бъде преди всичко мениджър. И в моя спомен никога не е свършвало с нищо добро.

Моята позиция беше, че ако в Москва има действащ център, в който ще работят добри учени, със свои идеи, свои групи, тогава ще се радвам да взаимодействам и да си сътруднича с тях. Не исках да създавам собствена лаборатория в Москва. Но казах, че мога да помогна за създаването на RCC и по-специално обещах да помогна да намеря добри хора, които биха могли да създадат лаборатории. Ами дайте съвет как да се организират нещата.

Създаденото за по-малко от две години, което видях това лято, вече е впечатляващо. Има няколко теоретични и експериментални групи, които вече започват да правят сериозни експерименти. През лятото с групата на Алексей Акимов публикувахме съвместна статия в Наука.

Разговаряхме с него за тази публикация. Сега той работи в Сколково, но тази инсталация, на която всъщност е направена статията, е сглобена в Америка.

това е вярно Въпреки това сега тук вече има научен живот и вече се появяват доста интересни произведения. Имам предвид групите на Акимов, Калачевски, Лвовски, Желтиков и Устинов („Лента.ру” писа за създаването на последния в лабораторията).

Прекарах доста време и усилия, опитвайки се да помогна всичко да работи правилно. Сега основният въпрос, който ме тревожи, е въпросът какво бъдеще очаква квантовият център и подобни проекти като цяло. Този въпрос е важен, защото...

Защото хората искат да планират живота си...

И не само това. Факт е, че Квантовият център сам по себе си не може да реши всички проблеми. Трябва да има поне група от такива институти или центрове. Те трябва да имат поне някаква дългосрочна перспектива – само така се създава истинска научна среда.

Лично за мен това, което е най-изненадващо в тази история, е колко от водещите учени в света се съгласиха да помогнат за създаването на този център. И помогнаха, и помогнаха напълно безвъзмездно. За руската действителност това, доколкото разбирам, е уникален случай. Може би затова се оказа, че прави нещо добро.

Възпитаникът на Phystech Михаил Лукин проведе експеримент, който изуми света

М. Лукин постъпва в Московския физико-технически институт през 1988 г. във FFKE и преминава основно обучение в катедрата по електроника в твърдо тяло под ръководството на академик Ю. Гуляев. Занимава се с научна работа под ръководството на В. И. Манко, А. Ф. Попков, И. А. Игнатиев. След 4-та година е изпратен в Университета на Алабама (САЩ) за 9 месеца. След завръщането си защитава дисертация и завършва MIPT с отличие през 1993 г. По препоръка на професор В. И. Манко е поканен в Тексаския университет да работи с професор М. Скъли и през 1998 г. защитава дисертацията си. За поредица от научни трудове през 1999 г. е награден с медала на Американското оптично дружество.

Какво направи нашият Лукин? ТОЙ СПРЯ ЛЪЧА СВЕТЛИНА!

(от ексклузивно интервю с кореспондента на персонала на КП А. Кабанников с руски учен)

-...Как се озовахте в Америка?

Приеха ме в аспирантура в Тексаския университет. И след като защити дисертацията си за използването на лазери за контрол на околната среда, той получи специална стипендия от Харвард за научни изследвания.

- Откъде дойде идеята за експеримента със забавяне на светлината?

Преди две години бившият ми шеф в Тексаския университет Марлон Скъли навърши 60 години. По този повод е обичайно да се издават юбилейни сборници с творби на ученици. Дълго мислихме по темата. По това време много се говореше за бавната светлина - инхибирането на нейните импулси. Буквално три дни преди да предадем ръкописа, аз и двама млади колеги от Германия - Susanne Yelin и Mike Fleischhauer - най-накрая решихме, че ще пишем за това как да спрем светлината и да използваме това като начин за запазване на информация.

Отне около година за теоретична обосновка. Експериментите започнаха през април и до есента имаха първи резултати, които напълно потвърждават теорията.

В пресата се чуват най-фантастичните описания на вашата работа. Твърди се например, че експериментът опровергава теорията на относителността. Дори казват, че можете да спрете времето по почти същия начин...

Това са спекулации на любители на сензациите. Какво наистина се случи? Представете си обикновен лъч, насочен към някакъв обект. Светлинният импулс взаимодейства с атомите, те се възбуждат и излъчват енергия. След това се губи - под формата на топлина, блясък. Приготвили сме специална среда от преохладени рубидиеви пари. И след това, използвайки контролен лазер, го направиха електромагнитно проводим. Светлинен пулс беше насочен към нея. Когато достигна околната среда, ние изключихме контролния лазер. Пулсът се забави до нула и нямаше повече фотони. Но информацията се запази в развълнуваната среда. И ако отново включите контролния лазер, същият импулс ще продължи да се движи със същата скорост. Това е всичко, всъщност.

„Ню Йорк Таймс“ представи вашия експеримент на първа страница, последван от пресата по целия свят, която го съобщи като научна сензация с голямо бъдеще...

Не ме обвинявайте в фалшива скромност, но всъщност значението на работата е завишено. Направена е малка стъпка в малък район. Въпреки че прилагането на идеята в пълната й форма е изпълнено с интересен потенциал и може да доведе до страхотни резултати.

Вашият опит, според научните коментатори, стъпка ли е към революция в компютърните технологии?

Това е по-скоро въпрос на инженери, а ние се занимаваме с чиста наука. Но опитът сочи принципно нови възможности за съхранение и обработка на информация. Въпреки че пътят до тях от лабораторния опит е огромен, той ще отнеме години и дори десетилетия.

По един или друг начин този експеримент ви донесе слава в научния свят; На 29 години сте професор в Кеймбриджкия университет. Това ли е заслугата на руската школа?

Без съмнение! MIPT беше и остава първокласен университет. Редица от използваните от нас методи се основават на идеите и разработките на проф. Владлен Летохов от Института по спектроскопия на Руската академия на науките. Когато двама американци и един французин получиха Нобелови награди за лазерно охлаждане преди две години, мнозина смятаха, че Летохов трябваше да бъде сред лауреатите. Придобих почти всичките си знания за експерименталните подходи, като си сътрудничих с група прекрасни учени във Физическия институт Лебедев.

И не е ли парадокс, че експериментът, който изненада света по руски методи, е извършен от руски учен... в Америка?

Обеднялата местна наука днес се крепи само на ветерани от старата школа... Аз реалистично оценявам ситуацията: повярвайте ми, ако MIPT имаше средства за изследвания, те щяха да се справят със същата задача само за две години.

Вашингтон.

Писма за физически преглед

29 януари 2001 г. - том 86, брой 5, стр. 783-786

Пълен текст: PDF (163 kB)

Съхранение на светлина в атомни пари

D. F. Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair и R. L. Walsworth Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts 02138

М. Д. Лукин ITAMP, Център за астрофизика Харвард-Смитсониън, Кеймбридж, Масачузетс 02138

Докладваме експеримент, при който светлинен импулс ефективно се забавя и се улавя в пара от Rb атоми, съхранява се за контролиран период от време и след това се освобождава при поискване. Ние постигаме това „съхранение на светлина“ чрез динамично намаляване на груповата скорост на светлинния импулс до нула, така че кохерентното възбуждане на светлината да бъде обратимо картографирано в Zeeman (спин) кохерентност на Rb парите. ©2001 Американското физическо общество

URL: http://publish.aps.org/abstract/PRL/v86/p783

DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.783

PACS: 42.50.Gy, 03.67.-a Допълнителна информация

Референции

1. M. D. Lukin, S. F. Yelin и M. Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 84, 4232 (2000); L. M. Duan, J. I. Cirac и P. Zoller (непубликуван).

2. M. Fleischhauer и M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett. 84, 5094 (2000).

3. L. V. Hau, S. E. Harris, Z. Dutton и C. H. Behroozi, Nature (Лондон) 397, 594 (1999);

M. Kash et al., Phys. Rev. Lett. 82, 5229 (1999); Д. Будкер и др., пак там. 83, 1767 (1999).

5. Дисипативни техники за частичен трансфер на квантова статистика от светлина към атоми са докладвани в A. Kuzmich, K. Mshlmer и E. S. Polzik, Phys. Rev. Lett. 79, 4782 (1997); J. Hald, J. L. Schrensen, C. Schori и E. S. Polzik, Phys. Rev. Lett. 83, 1319 (1999).

6. J.I. Cirac, P. Zoller, H.J. Kimble и H. Mabuchi, Phys. Rev. Lett. 78, 3221 (1997).

7. M. Hennrich, T. Legero, A. Kuhn и G. Rempe, Phys. Rev. Lett. 85, 4872 (2000).

8. M. D. Lukin et al., quant-ph/0011028.

9. L. Duan, J. I. Cirac, P. Zoller и E. Polzik, quant-ph/0003111.

10. A. Kuzmich, L. Mandel и N. Bigelow, Phys. Rev. Lett. 85, 1594 (2000).

11. О. Кочаровская, Ю. Rostovtsev и M.O. Scully, Phys. Rev. Lett. 86, 628 (2001).

12. H. Schmidt и A. Imamolu, Opt. Lett. 21, 1936 (1996); ; S. E. Harris и Y. Yamamoto, Phys. Rev. Lett. 81, 3611 (1998); С. Е. Харис и Л. В. Хау, пак там. 82, 4611 (1999); М. Д. Лукин и А. Имамолу, пак там. 84, 1419 (2000).

13. За наблюдение на базирана на Zeeman-кохерентност EIT в плътна среда вижте V. A. Sautenkov et al., Phys. Rev. A 62, 023810 (2000).

14. В настоящия ни експеримент до ~50% от входното светлинно възбуждане е уловено. Очакваме, че съхранената фракция може да бъде увеличена или чрез използване на продукт с по-голяма плътност-дължина, или с оптична кухина.

15. S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993); M. D. Lukin et al., Phys. Rev. Lett. 79, 2959 (1997).

16.C. Liu, Z. Dutton, C. H. Behroozi и L. V. Hau, Nature (Лондон) (ще бъде публикуван).


Руски и американски учени от Харвардския университет, работещи в групата на Михаил Лукин, създадоха квантов компютър от 51 кубита, най-мощният в света днес. Съоснователят на Руския квантов център (RCC) професор Лукин съобщи това в доклада си на Международната конференция по квантови технологии (ICQT-2017), която се проведе през юли в Москва под егидата на RQC.


За разлика от класическите цифрови компютри, чиято памет е изградена на принципа на двоичния код (0 или 1, "да" или "не"), квантовите компютри са изградени на базата на кубити - квантови битове. Те също така позволяват две състояния (0 и 1), но поради своите квантови свойства, кюбитът допълнително позволява състояния на суперпозиция, тоест, относително казано, много междинни състояния между двете основни състояния, описани с комплексни (въображаеми) числа. Ясно е, че при такива условия мощността и скоростта на квантовия компютър са с няколко порядъка по-високи.

Самата идея за използване на квантовите изчисления за решаване на чисто математически проблеми е предложена през 1980 г. от Юрий Манин от Института на Стеклов, а година по-късно принципът за конструиране на квантов компютър е формулиран от Ричард Файнман. Но минаха десетилетия, преди да се появят технологии, които могат да приложат идеите им на практика.

Основният проблем беше да се създадат стабилни работещи кубити. Групата на Лукин не използва свръхпроводници за тях, а така наречените студени атоми, които се държат в лазерни капани при ултраниски температури. Това позволи на физиците да създадат най-големия в света квантов компютър от 51 кубита и победиха своите колеги от групата на Кристофър Монро от Университета на Мериленд (5-кубитово устройство) и групата на Джон Мартинис от Google (22-кубитово устройство).

Образно казано, при изграждането на кубит компютър физиците се върнаха от цифровите към аналоговите устройства от първата половина на миналия век. Сега тяхната задача е да преминат към „цифрово“ на ново, квантово ниво. Използвайки набор от кубити, базирани на „студени атоми“, екипът на Лукин вече е успял да реши няколко конкретни физически проблема, които са изключително трудни за симулиране с помощта на класически компютри.

В близко бъдеще учените възнамеряват да продължат експериментите с квантов компютър. В допълнение към решаването на чисто научни проблеми в областта на квантовата механика, професор Лукин не изключва екипът му да се опита да приложи известния квантов алгоритъм на Шор, срещу който съществуващите в момента системи за криптиране са безсилни. Но има много други практически области, в които новото поколение компютри може да направи революция. Например хидрометеорологията, където в момента очевидно няма достатъчно мощност в съществуващите изчислителни устройства за подобряване на точността на прогнозите за времето.

Квантовите компютри правят първите си стъпки, но не е далеч времето, когато те ще станат толкова обичайни, колкото днешните компютри.

Руски и американски учени, работещи в Харвард, създадоха и тестваха първия в света 51-кубитов квантов компютър - най-сложната изчислителна система от този вид.

Това заяви професорът от Харвардския университет, съосновател на Руския квантов център (РЦК) Михаил Лукин, съобщава РИА Новости.

Физикът говори за това на Международната конференция по квантови технологии ICQT-2017 в Москва.

Това постижение позволи на групата на Лукин да стане лидер в „надпреварата“ за създаване на пълноценен квантов компютър, която неофициално се провежда от няколко години между няколко групи от водещи физици в света.

Квантовите компютри са специални изчислителни устройства, чиято мощност се увеличава експоненциално чрез използване на законите на квантовата механика за работа.

Всички такива устройства се състоят от кубити - клетки с памет и в същото време примитивни изчислителни модули, способни да съхраняват спектър от стойности между нула и едно.

Днес има два основни подхода за разработване на такива устройства - класически и адиабатен.

Привържениците на първия от тях се опитват да създадат универсален квантов компютър, кубитите в който да се подчиняват на същите правила, по които работят обикновените цифрови устройства.

Работата с такова изчислително устройство в идеалния случай не би се различавала много от начина, по който инженерите и програмистите работят с конвенционалните компютри.

Адиабатен компютър е по-лесен за създаване, но неговите принципи на работа са по-близки до аналоговите компютри от началото на 20 век, отколкото до цифровите устройства на нашето време.

Миналата година няколко екипа от учени и инженери от САЩ, Австралия и няколко европейски страни обявиха, че са близо до създаването на такава машина.

За лидер в тази неформална надпревара се смяташе екипът на Джон Мартинис от Google, който разработваше необичайна „хибридна“ версия на универсален квантов компютър, съчетаващ елементи на аналогов и цифров подход към подобни изчисления.

Лукин и колегите му от RCC и Харвард победиха групата на Мартинис, която сега работи върху създаването на 22-кубитов компютър, използващ не свръхпроводници, като учените на Google, а екзотични „студени атоми“.

Както са открили руски и американски учени, набор от атоми, държани в специални лазерни „клетки“ и охладени до ултраниски температури, могат да се използват като кубити за квантов компютър, поддържайки стабилна работа при доста широк диапазон от условия. Това позволи на физиците да създадат най-големия досега квантов компютър, състоящ се от 51 кубита.

Използвайки набор от подобни кубити, екипът на Лукин вече е решил няколко физически проблема, които са изключително трудни за симулиране с помощта на „класически“ суперкомпютри.

Например руски и американски учени успяха да изчислят как се държи голям облак от взаимосвързани частици и да открият неизвестни досега ефекти, възникващи в него. Оказа се, че когато възбуждането затихне, някои видове трептения могат да останат и да се поддържат практически неограничено дълго време в системата, за което учените не са подозирали преди.

За да проверят резултатите от тези изчисления, Лукин и колегите му трябваше да разработят специален алгоритъм, който направи възможно извършването на подобни изчисления в много груба форма на обикновени компютри. Резултатите като цяло бяха последователни, потвърждавайки, че 51-кубитовата система на учените от Харвард работи на практика.

В близко бъдеще учените възнамеряват да продължат експериментите с квантов компютър. Лукин не изключва, че екипът му ще се опита да изпълни известния квантов алгоритъм на Шор, който прави възможно разбиването на повечето съществуващи системи за криптиране, базирани на алгоритъма RSA.

Според Лукин статия с първите резултати от квантов компютър вече е приета за публикуване в едно от рецензираните научни списания.

Разходите за изпълнение на проекта „Руско поле“ са частично покрити от средства, предоставени от фондация „Русский мир“.

По време на Международната квантова конференция в Москва руският учен Михаил Лукин представи най-мощния 51-кубитов квантов компютър досега. Числото 51 не е избрано случайно: Google работи върху 49-кубитов квантов компютър от дълго време и следователно победата над конкурент беше въпрос на принцип за Лукин като учен по хазарта.


„Един работещ квантов компютър е много по-ужасен от атомна бомба“, отбелязва Сергей Белоусов, съосновател на Руския квантов център. - Той (Михаил Лукин) направи система, която има най-много кубити. За всеки случай. На този етап мисля, че това е повече от два пъти повече кубити от всеки друг. И той специално направи 51 кубита, а не 49. Защото Google продължаваше да казва, че ще направят 49.“

Самият Лукин и ръководителят на квантовата лаборатория на Google Джон Мартинез обаче не се смятат за конкуренти или съперници. Учените са убедени, че основният им съперник е природата, а основната им цел е развитието на технологията и нейното прилагане, за да изведе човечеството към нов етап на развитие.

„Погрешно е да мислим за това като за състезание“, правилно казва Джон Мартинез. - Имаме истинска надпревара с природата. Защото наистина е трудно да се създаде квантов компютър. И е просто вълнуващо, че някой успя да създаде система с толкова много кубити. Досега 22 кубита е максимумът, който можем да направим. Въпреки че използвахме цялата си магия и професионализъм.”

Самите кубити, чийто брой учените така яростно се „съревновават“, са изчислителна единица, която е едновременно нула и едно, докато обичайният бит е или едното, или другото. Съвременните суперкомпютри изграждат последователности, а квантовите компютри от своя страна извършват изчисления паралелно, за миг. Благодарение на този подход изчисленията, които биха отнели на днешните суперкомпютри хиляди години, могат да бъдат завършени незабавно от квантов компютър.

„Това е една от най-големите квантови системи, които са създавани“, казва Михаил Лукин, професор в Харвардския университет и съосновател на Руския квантов център. - Навлизаме в режим, в който класическите компютри не могат да се справят с изчисленията. Правим малки открития, видяхме нови ефекти, които не се очакваха теоретично, които сега можем, опитваме се да разберем, но не разбираме напълно.“

Засега дори създателите на най-мощните квантови компютри не могат да кажат със сигурност защо човечеството ще има нужда от толкова мощни изчислителни машини. Може би с тяхна помощ ще бъдат разработени принципно нови материали. Възможно е да се направят нови открития в областта на физиката или химията. Или може би квантовите компютри ще ни помогнат най-накрая да разберем напълно природата на човешкия мозък и съзнание.

„Когато се направи научно откритие, неговите създатели не си представят цялата сила, която то ще донесе“, смята Руслан Юнусов, директор на Руския квантов център. - Тук можете да дадете пример за транзистор. Когато транзисторът е изобретен, никой не е предполагал, че компютрите ще бъдат изградени на този транзистор. И когато компютрите бяха създадени, никой не си представяше колко ще се промени животът.