The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
Содержимое этого металлического цилиндра либо совершит технологический переворот, либо окажется совершенно бесполезным. Всё зависит от того, удастся ли извлечь пользу из странных свойств материи на субатомном уровне. Лишь только для того, чтобы получить такой шанс, необходимо очень точно контролировать внешние условия: толстая столешница и ножки стола гасят вибрации от шагов, а также от расположенных вблизи лифтов и дверей. Этот цилиндр представляет собой вакуумную камеру, лишённую всех атмосферных газов. Внутри камеры расположен меньший по размеру очень холодный отсек, куда способны проникнуть тончайшие лазерные лучи. Там содержатся сверхчувствительные частицы, образующие квантовый компьютер.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
Для чего нам понадобились эти частицы? В теории квантовые компьютеры способны превысить вычислительные пределы обычных компьютеров. Для обработки данных обычные компьютеры используют биты. Каждый бит может находиться в одном из двух состояний: 0 либо 1. Квантовый компьютер использует так называемый кубит — квантовый бит, который может принимать значения 0, 1 и так называемой суперпозиции. Пока кубит находится в суперпозиции, в нём содержится гораздо больше информации, чем 0 или 1. Представьте себе точки на сфере: северный полюс соответствует 0, южный полюс — 1. Бит может переключаться только между этими двумя полюсами, но находящийся в суперпозиции кубит может располагаться в любой точке сферы. Нельзя сказать, где именно, потому что в момент считывания кубит принимает значения 0 либо 1. Но хотя увидеть значение кубита в состоянии суперпозиции невозможно, им можно управлять для выполнения определённых операций.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
По мере усложнения задачи обычному компьютеру требуется соразмерное увеличение числа битов для её решения, в то время как квантовый компьютер теоретически сможет справляться с усложняющимися задачами, используя меньшее число кубитов, чем обычный компьютер битов.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
Уникальные свойства квантовых компьютеров вытекают из поведения атомных и субатомных частиц. Квантовые состояния этих частиц соответствуют состояниям кубита. Квантовые состояния чрезвычайно неустойчивы и легко разрушаются под влиянием температуры, колебаний давления, блуждающих электромагнитных полей и столкновений с соседними частицами. Вот почему квантовые компьютеры нуждаются в столь сложном оснащении. И поэтому на сегодняшний день потенциальная мощность квантовых компьютеров остаётся по большей части умозрительной. Пока что возможно контролировать лишь пару кубитов одновременно в одной раскладке.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Существуют два ключевых компонента для эффективного управления изменчивыми квантовыми состояниями: типы частиц, используемых в квантовом компьютере, и механизм управления этими частицами. В настоящее время существуют два основных направления: захваченные ионы и сверхпроводящие кубиты.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Квантовый компьютер использует захваченные ионы как составляющие и управляет ими с помощью лазеров. Ионы находятся в ловушке, созданной электромагнитными полями. Они получают информацию о требуемой операции от лазеров, вызывающих вращение состояния кубита на сфере. Рассмотрим упрощённый пример, в котором посредством лазеров задаётся вопрос: «Каковы простые множители числа 15?» В зависимости от состояния кубитов соответствующие им ионы выпустят несколько фотонов или же не выпустят их вообще. Система визуализации соберёт фотоны и обработает их для получения ответа: «3 и 5».
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
Квантовые компьютеры со сверхпроводящими кубитами используют электронные микросхемы вместо ионной ловушки. Состояния каждой микросхемы переводятся в состояние кубита. Ими можно управлять, подавая на вход микроволны. Кубиты создаются либо ионами, либо микросхемами, и ими можно управлять при помощи лазеров либо микроволн. У каждого подхода есть преимущества и недостатки. Ионами можно очень точно управлять, и они более стабильны, но как только в ловушке оказывается много ионов, высокоточное управление каждым из них становится затруднительным. В настоящее время мы не умеем удерживать в ловушке достаточно ионов для выполнения сложных вычислений, но одна из возможностей — это связать посредством фотонов много более мелких ловушек вместо создания одной большой ловушки. Сверхпроводящие микросхемы работают намного быстрее, чем захваченные ионы, и проще нарастить число микросхем в компьютере, чем увеличить количество ионов. Но микросхемы менее устойчивы и недолговечны.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
По мере развития квантовых компьютеров они по-прежнему будут сталкиваться с ограничениями внешней среды в целях сохранения квантовых состояний. Но несмотря на все эти препятствия, нам уже удалось произвести вычисления в мире, в который мы не можем ни попасть, ни даже заглянуть.