Французькі вчені зібрали Ейфелеву вежу з атомів і побили рекорд квантових обчислень

Кожен сучасний комп’ютер — від мікроконтролера в посудомийній машині до серверів штучного інтелекту — працює на транзисторах. Мільярди мікроскопічних елементів перемикаються між двома станами, що позначають нуль і одиницю. На цій двійковій логіці побудовані зберігання даних, обчислення і виконання програм. Квантові машини влаштовані інакше, але інженери досі не знайшли для них універсального будівельного елемента, який можна масово виробляти і без втрат об’єднувати у великі обчислювальні системи.

Основа квантового комп’ютера — кубіт, квантовий аналог звичайного біта. Якщо класичний біт приймає лише значення нуль або один, кубіт може перебувати в суперпозиції кількох станів одночасно. Кубіти також можна пов’язувати квантовою заплутаністю, за якої стани окремих елементів стають взаємозалежними. Поєднання цих ефектів дає змогу будувати алгоритми для задач, із якими звичайні комп’ютери справляються погано або витрачають на них надто багато часу й ресурсів.

Головна проблема квантових обчислень — крихкість квантових станів. Кубіт потрібно захищати від тепла, електромагнітних завад і випадкових контактів із навколишнім середовищем: будь-який зайвий вплив руйнує суперпозицію або заплутаність і псує обчислення. Водночас інженери мають навмисно впливати на кубіти — змінювати стани, зв’язувати сусідні елементи і зчитувати результат. Добра ізоляція заважає керуванню, а зручне керування підвищує ризик помилок.

Єдиної відповіді на питання, з чого краще робити кубіти, поки немає. Частина розробників використовує окремі атоми, адже природа вже надала їм стабільні квантові рівні. Перед обчисленням атом потрібно ізолювати від навколишнього середовища й утримати у вакуумній камері. Для захоплення частинок застосовують два основні методи: іонні пастки та оптичні пінцети для нейтральних атомів. В іонному квантовому комп’ютері з атома видаляють один електрон, він набуває позитивного заряду, і електричні поля утримують іон у заданій ділянці. Один із найнаочніших експериментів провели зі стронцієм: сталеві електроди у формі голок і пластин створювали поле, що утримувало єдиний іон посередині двомілімтрового проміжку, а на фотографії частинка видна як світна крапка.

Оптичні пінцети — альтернативний підхід, за якого атом залишається електрично нейтральним. Частинки утримуються масивами дуже вузьких лазерних пучків, а переміщення лазерного фокуса дає змогу змінювати положення атома. Центральна частина нейтрально-атомного комп’ютера більше нагадує лабораторну оптичну установку, ніж звичний процесор: одні лазери захоплюють атоми, інші переміщують частинки, треті керують квантовими станами або беруть участь у вимірюванні. Можливість перебудовувати геометрію системи дослідники демонстрували ще 2018 року — тоді атоми збирали у тривимірні структури: гіперболоїд, стрічку Мебіуса, сферу, що нагадує фулерен, конус, тор і модель Ейфелевої вежі. Фігури слугували не прикрасою, а перевіркою точності керування окремими атомами.

До 2025 року розміри атомних масивів досягли кількох тисяч частинок. В одному експерименті дослідники захопили 6100 індивідуально керованих атомів цезію всередині масиву оптичних пінцетів діаметром один міліметр. Закодовані в атомах кубіти тривалий час зберігали когерентність. Утім, сама кількість захоплених атомів ще не означає, що система здатна виконувати обчислення на всіх 6100 кубітах: квантовий алгоритм на всьому масиві не запускали, а рекордне число кубітів, одночасно задіяних у реальному алгоритмі, залишається значно меншим. Головна трудність не в захопленні великої кількості атомів, а в точному керуванні всією системою під час обчислень.

Свій шлях обрали надпровідні квантові комп’ютери. Замість окремих атомів інженери створюють штучні квантові схеми на кремнієвих пластинах, наносячи тонкі шари металів — зокрема алюмінію та ніобію. За дуже низьких температур ці метали переходять у надпровідний стан, а правильно спроектована схема набуває квантових енергетичних рівнів, два з яких використовують як стани кубіта. Сучасний процесор IBM Nighthawk містить 120 кубітів і додаткові надпровідні схеми для керування зв’язками між ними. Ранні зразки початку 2010‑х років мали розміри шість на шість міліметрів і лише чотири кубіти. Надпровідні кубіти потребують охолодження до температури, близької до абсолютного нуля, — для цього використовують рефрижератори розчинення з сумішшю ізотопів гелію, що послідовно знижують температуру до робочого діапазону схем.