The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

Переводчик: Антон Замараев Редактор: Ростислав Голод

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

Содержимое этого металлического цилиндра либо совершит технологический переворот,

or be completely useless—

либо окажется совершенно бесполезным.

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

Всё зависит от того, удастся ли извлечь пользу из странных свойств материи

at very, very small scales.

на субатомном уровне.

To have even a chance of doing so,

Лишь только для того, чтобы получить такой шанс,

we have to control the environment precisely:

необходимо очень точно контролировать внешние условия:

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

толстая столешница и ножки стола гасят вибрации от шагов,

nearby elevators, and opening or closing doors.

а также от расположенных вблизи лифтов и дверей.

The cylinder is a vacuum chamber,

Этот цилиндр представляет собой вакуумную камеру,

devoid of all the gases in air.

лишённую всех атмосферных газов.

Inside the vacuum chamber is a smaller,

Внутри камеры расположен меньший по размеру

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

очень холодный отсек, куда способны проникнуть тончайшие лазерные лучи.

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

Там содержатся сверхчувствительные частицы, образующие квантовый компьютер.

So what makes these particles worth the effort?

Для чего нам понадобились эти частицы?

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

В теории квантовые компьютеры способны превысить вычислительные пределы

of classical computers.

обычных компьютеров.

Classical computers process data in the form of bits.

Для обработки данных обычные компьютеры используют биты.

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

Каждый бит может находиться в одном из двух состояний: 0 либо 1.

A quantum computer uses something called a qubit,

Квантовый компьютер использует так называемый кубит — квантовый бит,

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

который может принимать значения 0, 1 и так называемой суперпозиции.

While the qubit is in its superposition,

Пока кубит находится в суперпозиции,

it has a lot more information than one or zero.

в нём содержится гораздо больше информации, чем 0 или 1.

You can think of these positions as points on a sphere:

Представьте себе точки на сфере:

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

северный полюс соответствует 0, южный полюс — 1.

A bit can only switch between these two poles,

Бит может переключаться только между этими двумя полюсами,

but when a qubit is in its superposition,

но находящийся в суперпозиции кубит

it can be at any point on the sphere.

может располагаться в любой точке сферы.

We can’t locate it exactly—

Нельзя сказать, где именно, потому что в момент считывания

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

кубит принимает значения 0 либо 1.

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

Но хотя увидеть значение кубита в состоянии суперпозиции невозможно,

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

им можно управлять для выполнения определённых операций.

So as a problem grows more complicated,

По мере усложнения задачи

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

обычному компьютеру требуется соразмерное увеличение числа битов для её решения,

while a quantum computer will theoretically be able to handle

в то время как квантовый компьютер теоретически сможет справляться

с усложняющимися задачами,

more and more complicated problems

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

используя меньшее число кубитов, чем обычный компьютер битов.

The unique properties of quantum computers

Уникальные свойства квантовых компьютеров

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

вытекают из поведения атомных и ​​субатомных частиц.

These particles have quantum states,

Квантовые состояния этих частиц

which correspond to the state of the qubit.

соответствуют состояниям кубита.

Quantum states are incredibly fragile,

Квантовые состояния чрезвычайно неустойчивы

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

и легко разрушаются под влиянием температуры, колебаний давления,

stray electromagnetic fields,

блуждающих электромагнитных полей

and collisions with nearby particles.

и столкновений с соседними частицами.

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

Вот почему квантовые компьютеры нуждаются в столь сложном оснащении.

It’s also why, for now,

И поэтому на сегодняшний день потенциальная мощность

the power of quantum computers remains largely theoretical.

квантовых компьютеров остаётся по большей части умозрительной.

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

Пока что возможно контролировать лишь пару кубитов одновременно в одной раскладке.

There are two key components involved

Существуют два ключевых компонента

in managing these fickle quantum states effectively:

для эффективного управления изменчивыми квантовыми состояниями:

the types of particles a quantum computer uses,

типы частиц, используемых в квантовом компьютере,

and how it manipulates those particles.

и механизм управления этими частицами.

For now, there are two leading approaches:

В настоящее время существуют два основных направления:

trapped ions and superconducting qubits.

захваченные ионы и сверхпроводящие кубиты.

A trapped ion quantum computer uses ions as its particles

Квантовый компьютер использует захваченные ионы как составляющие

and manipulates them with lasers.

и управляет ими с помощью лазеров.

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

Ионы находятся в ловушке, созданной электромагнитными полями.

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

Они получают информацию о требуемой операции от лазеров,

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

вызывающих вращение состояния кубита на сфере.

To use a simplified example,

Рассмотрим упрощённый пример,

the lasers could input the question:

в котором посредством лазеров задаётся вопрос:

what are the prime factors of 15?

«Каковы простые множители числа 15?»

In response, the ions may release photons—

В зависимости от состояния кубитов

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

соответствующие им ионы выпустят несколько фотонов

and how many photons it emits.

или же не выпустят их вообще.

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

Система визуализации соберёт фотоны и обработает их для получения ответа:

3 and 5.

«3 и 5».

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

Квантовые компьютеры со сверхпроводящими кубитами

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

используют электронные микросхемы вместо ионной ловушки.

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

Состояния каждой микросхемы переводятся в состояние кубита.

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

Ими можно управлять, подавая на вход микроволны.

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

Кубиты создаются либо ионами, либо микросхемами,

acted on by either lasers or microwaves.

и ими можно управлять при помощи лазеров либо микроволн.

Each approach has advantages and disadvantages.

У каждого подхода есть преимущества и недостатки.

Ions can be manipulated very precisely,

Ионами можно очень точно управлять,

and they last a long time,

и они более стабильны,

but as more ions are added to a trap,

но как только в ловушке оказывается много ионов,

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

высокоточное управление каждым из них становится затруднительным.

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

В настоящее время мы не умеем удерживать в ловушке достаточно ионов

для выполнения сложных вычислений, но одна из возможностей —

but one possible solution might be to connect many smaller traps

это связать посредством фотонов много более мелких ловушек

that communicate with each other via photons

rather than trying to create one big trap.

вместо создания одной большой ловушки.

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

Сверхпроводящие микросхемы работают намного быстрее, чем захваченные ионы,

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

и проще нарастить число микросхем в компьютере,

than the number of ions.

чем увеличить количество ионов.

But the circuits are also more fragile,

Но микросхемы менее устойчивы

and have a shorter overall lifespan.

и недолговечны.

And as quantum computers advance,

По мере развития квантовых компьютеров

они по-прежнему будут сталкиваться с ограничениями внешней среды

they will still be subject to the environmental constraints

needed to preserve quantum states.

в целях сохранения квантовых состояний.

But in spite of all these obstacles,

Но несмотря на все эти препятствия,

we’ve already succeeded at making computations

нам уже удалось произвести вычисления

in a realm we can’t enter or even observe.

в мире, в который мы не можем ни попасть, ни даже заглянуть.