Квантовые компьютеры обещают произвести революцию в вычислениях и сломать современную криптографию

Но из чего они сделаны? Отвечают нобелевские лауреаты по физике за 2025 год

Квантовые компьютеры обещают совершить настоящую революцию в вычислениях. Теоретически, им будут доступны такие задачи, с которыми современные «классические» компьютеры за разумное время справиться просто не могут. И хотя практического применения они пока не нашли, каждый год создаются все более совершенные и сложные устройства, способные работать с квантовой информацией. Все это стало возможным благодаря нобелевским лауреатам по физике за 2025 год: Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису. Именно они создали «новый транзистор» для будущих квантовых устройств. Отдел «Разбор» объясняет, в чем состоит открытие ученых, какие альтернативы ему есть и как оно должно помочь области квантовых вычислений.

Нобелевскую премию по физике в 2025 году присудили трем исследователям: Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису с формулировкой «за открытие квантового туннелирования на макроуровне и квантования энергии в электрической цепи». Другими словами, за создание квантовых устройств на основе сверхпроводников с так называемыми джозефсоновскими контактами (к объяснению того, что это значит, мы еще вернемся).

Важно, что устройства, изученные лауреатами, — это главный строительный блок большинства (хотя и не всех) квантовых компьютеров. Тех самых, о которых вы часто слышите в новостях. В общем, нынешняя Нобелевская премия, хотя формально и присуждена за работы еще прошлого века, имеет прямое отношение к квантовым вычислениям и квантовой связи — крайне модным темам в физике последнего десятилетия. А потому имеет смысл рассказать сначала о том, какое применение нашло открытие лауреатов, — и только потом перейти к тому, в чем оно, собственно, состоит.

Кратчайшее введение в квантовые компьютеры

«Медуза» неоднократно писала о квантовых компьютерах и проблемах с их разработкой, но самое необходимое можно изложить довольно коротко. Квантовым вычислительное устройство делает не какая-то особенная мощность или производительность, не тип транзисторов, из которых он сделан, а просто способность работать с квантовой информацией.

Это тип информации, который принципиально отличает такие устройства от классических. Если обычные компьютеры работают с битами — минимальными «ячейками» информации, где хранится одно из двух состояний (0 и 1), — то аналогичные квантовые «ячейки» хранят квантовые же биты, или кубиты. Последние представляют собой некую смесь двух упомянутых состояний в произвольной пропорции. Кубиты хранят не какое-то скрытое промежуточное состояние вроде 0,5 или 0,99; в них находится именно смесь (суперпозиция) двух состояний. При получении результата вычислений в процессе итогового измерения на выходе мы увидим кубит либо в состоянии 0, либо в состоянии 1, как и в классической схеме. Никаких промежуточных вариантов не будет. Однако возникнуть эти итоговые 0 и 1 в квантовой «ячейке» могут с разной вероятностью, тогда как их появление в обычном компьютере строго детерминировано (из-за чего обычные компьютеры принципиально не могут генерировать истинно случайные числа и программистам приходится идти на большие ухищрения, чтобы к истинной случайности приблизиться).

Немного прояснить отличия квантовых компьютеров от обычных может помочь аналогия с обычной лотереей, вроде тех, что проводят на телевидении. В них участники должны заполнять карточку с числами от одного до, например, 36, выбрав таким образом одну комбинацию, и затем ждать результата выигрыша, который определяется в прямом эфире кручением барабана. Если комбинация чисел в билете и в розыгрыше в студии совпадает, такой билет считается выигрышным, а счастливчик получает приз.

Если представить такую лотерею как вычисление в классическом компьютере, то для определения выигрышной комбинации потребуется один раз закодировать все числа битами (то есть заполнить виртуальный билет), а затем проверить, получилась ли комбинация выигрышной. Если выигрыша нет — нужно снова провести кодирование и снова проверить результат. И повторять это снова и снова, пока искомая комбинация не будет найдена. Продолжаться такой перебор может долго — в зависимости от того, какое количество комбинаций можно теоретически в конкретной лотерее составить. Для некоторых вполне практических задач в криптографии, которые похожи на лотерею, время перебора может превышать время существования видимой Вселенной.

Теперь, переходя к квантовым компьютерам, представим, что у нас есть квантовые биты — и мы ухитрились соединить их таким образом, что в случае появления выигрышной комбинации происходит что-то очень яркое и заметное. Ну, например, загорается лампочка, звонит будильник или открывается бутылка шампанского. Как это сделать — вопрос отдельный. И вообще говоря, именно над ним бьются создатели квантовых устройств. Но главное, что теоретически это вполне допустимо, — а значит, такое можно представить.

Так вот, устройству, состоящему не из классических битов, а из кубитов, способных быть в смеси разных состояний одновременно, не потребуется перебирать комбинации в поисках ответа. Так как кубиты могут находиться во всех возможных состояниях одновременно, свою ставку можно «размазать» по всему лотерейному билету, если поставить на все возможные комбинации разом. И если выигрышная комбинация в принципе существует, то квантовая система ее обязательно найдет, причем всего в один ход. Главное — соединить кубиты правильным образом, обеспечив их правильное взаимодействие.

Все это, конечно, только аналогия (и чудовищное упрощение). Но в основе она передает то главное, на что надеются энтузиасты (пока не существующих) квантовых компьютеров будущего. Способность квантовых систем быть в суперпозиции разных состояний действительно теоретически позволяет решать комбинаторные задачи в один ход. Правда, все ли задачи поддаются такому решению и нет ли практического предела на сложность квантовых систем — большой вопрос, ответ на который даст только практика. Пока заявления о квантовом превосходстве ограничиваются тем, что современные квантовые компьютеры решают очень специфические задачи, специально созданные под эти системы и не имеющие практического применения. А вот практические задачи — вроде разложения чисел на множители, основы современной криптографии, — хотя теоретически должны решаться квантовыми методами (вспомним знаменитый алгоритм Шора), до сих пор несоизмеримо лучше поддаются классическим компьютерам.

Какое все это имеет отношение к нынешним лауреатам?

Единственное требование к «железу», способному производить квантовые вычисления, — это умение сохранять хрупкое квантовое состояние достаточно долго и при этом быть способным взаимодействовать с окружающим миром. Требование это противоречивое, так как именно окружающий мир приводит к возмущению в квантовых системах, что разрушает их квантовое состояние (это называется декогеренцией). При этом чем система крупнее, чем из большего числа элементов она состоит, тем вероятнее ее быстрая декогеренция.

Эта проблема преследует всех создателей квантовых компьютеров. И чтобы решить ее, физики используют самые разные ухищрения и ищут такие физические объекты, которые были бы по своей природе хорошо изолированы от внешнего мира.

Один из вариантов — это отдельные атомы, пойманные в специальные оптические ловушки и плавающие в почти абсолютном вакууме. Такие атомы почти не взаимодействуют с окружающим миром и потому могут долго сохранять свои состояния. Однако их можно целенаправленно облучать фотонами — и таким образом передавать в кубиты квантовую информацию и считывать ее обратно. Хранится информация в таких кубитах в суперпозиции разных энергетических уровней одного и того же атома. Большой прогресс в создании таких устройств физика в последние годы сделала во многом благодаря группе Михаила Лукина, гарвардского физика российского происхождения.

Другой вариант достаточно изолированного хранилища для квантовых состояний — алмазы. А точнее, дефекты в их структуре, так называемые NV-центры. Это «лишние» электроны атомов примесей азота внутри алмаза, которые плохо взаимодействуют с окружающим миром. Кубиты на NV-центрах хорошо подходят в качестве квантовой памяти, поскольку способны сохранять свое состояние относительно длительное время даже при комнатной температуре. Но настроить взаимодействие таких кубитов друг с другом, чтобы сделать из них вычислитель или какую-то сложную систему, очень трудно: природные NV-центры возникают в алмазе случайно и управлять их взаимодействием существенно сложнее, чем атомами в оптических ловушках.

Наконец, третий — пока наиболее практически значимый — способ хранить квантовую информацию изобретен и исследован как раз нынешними лауреатами. Речь идет о сверхпроводящей антенне (или цепи, или катушке — в этом случае речь идет об одном и том же), содержащей тот самый джозефсоновский переход. Пора на нем остановиться, так как это главный герой всей нашей истории.

Имя свое этот элемент кубита получил от Брайана Джозефсона, британского физика и нобелевского лауреата 1973 года. Еще в 1962-м, будучи студентом-старшекурсником, тот обнаружил, что поведение электронов в сверхпроводниках может демонстрировать необычный эффект: если сделать в сверхпроводящем проводе небольшой разрыв, то электроны, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, могут его просто игнорировать, как бы перескакивать не замечая.

Обычные электроны в обычном состоянии на такое были бы неспособны — для них даже тонкий слой изолятора всего в несколько атомов стал бы препятствием для тока. Но в сверхпроводящем состоянии, когда электроны образуют так называемые куперовские пары, разрыв току не препятствует. И впоследствии этот ток действительно удалось обнаружить. Так был подтвержден стационарный эффект Джозефсона. Экспериментальное подтверждение принесло его авторам, как и теоретику Джозефсону, Нобелевскую премию, а инженерам — устройства СКВИД, самые чувствительные детекторы магнитного поля, используемые сейчас в магнитоэнцефалографии и георазведке.

Для нынешних же лауреатов главным в сверхпроводящих системах с джозефсоновским переходом стало другое их свойство — зависимость напряжения от величины тока. Все электроны, образующие куперовские пары, ведут себя одинаково, поэтому система становится квантованной, то есть может принимать только фиксированные энергетические состояния. По крайней мере, так предсказывала теория.

Фактически с точки зрения энергетического состояния вся сверхпроводящая цепь с джозефсоновским переходом становится подобием атома или другой частицы — и, как атомы, может перепрыгивать из одного состояния в другое, с определенной вероятностью. При этом она сохраняет и свои макроскопические свойства — в отличие от настоящих атомов, цепью по-прежнему можно управлять через подачу на вход тока разной величины и измерение напряжения.

Впервые предсказать такое экзотическое поведение сверхпроводящего устройства с тонким слоем изолятора удалось в 1970-е Антони Леггету, нобелевскому лауреату 2003 года. Но вот реализовать систему на практике смогли только Кларк, Деворе и Мартинис много лет спустя.

Работали они не параллельно, как это часто бывает среди нобелевских лауреатов, а одной командой. Причем Джон Мартинис, звезда современного квантового направления в Google, тогда был еще аспирантом. В серии очень тонких и сложных экспериментов команда победила тепловой шум, нарушавший квантовое состояние системы, и продемонстрировала теоретически предсказанное поведение — туннелирование с одного энергетического уровня на другие. Получилось, что система, которую можно было буквально потрогать руками (пусть и только после эксперимента, ведь во время его проведения сверхпроводящая катушка охлаждена почти до абсолютного нуля), вела себя словно отдельная частица — и могла перепрыгивать (туннелировать) из одного энергетического состояния в другое. На практике это означает, что она могла стать удобным носителем квантовой информации. А зачем такие носители нужны и почему важно, чтобы ими было удобно управлять, мы уже разобрали.

Сложно сказать, будут ли будущие квантовые компьютеры построены на сверхпроводящих антеннах с джозефсоновскими переходами, на NV-центрах или на отдельных атомах, пойманных в оптические ловушки. Возможно, физики изобретут совершенно новую систему, где решать проблемы декогеренции и управления взаимодействием кубитов будет даже проще, чем в нынешних образцах. И все еще не ясно, оправдают ли квантовые компьютеры те высокие ожидания, что на них возложили за последние десятилетия.

Ясно лишь, что исследования этих систем будут продолжаться. Ведь выигрыш, который они обещают, сравним мало с чем в мире классических вычислений, прогресс которых в последние годы все ощутимее упирается в потолок.

Отдел «Разбор»