Как два физика поспорили: соберет ли кто-то топологический квантовый компьютер

Существует несколько теоретических видов квантовых компьютеров (официально еще ни одна группа ученых не изобрела устройство, в котором на 100% зафиксировано квантовое превосходство). Один из них — топологический квантовый компьютер. В теории он может стать одним из самых стабильных и мощных вычислительных устройств в истории человечества. «Хайтек» подробно рассказывает историю разработки топологического компьютера и разбирает спор двух профессоров физики, которые поспорили о сроках создания первого образца этого компьютера.

Спор двух ученых

В феврале два известных физика — Джонатан Доулинг, профессор из Университета штата Луизиана, и Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института — в Twitter поспорили: изобретет ли кто-то в ближайшее время топологический квантовый компьютер. Спор должен закончиться 1 марта 2030 года, то есть через 10 лет с начала пари. Прескилл поставил пиццу и пиво на то, что за следующее десятилетие такое устройство появится, а Доулинг считает, что нет.

Несмотря на то, что для большинства людей предмет их спора достаточно экзотичен, несколько групп ученых довольно давно занимаются разработкой прототипа топологического квантового компьютера, а в корпорации Microsoft над его созданием работает целый отдел физиков.

Впервые технология топологического квантового компьютера была предложена российским физиком Алексеем Китаевым в 1997 году. В основе его работы лежит теория, что информацию можно хранить и передавать через кластеры электронов, которые также известны как неабелевы анионы. Теоретически эти кластеры сохраняют память о своем движении внутри материи, а компьютер может кодировать эту информацию и анализировать, как они меняются местами. Например, в паре анионов 0 может быть представлен как анион, меняющий свою позицию на единицу справа, а 1 будет интерпретирована как движение слева направо.

Физики сравнивают движение двух анионов с плетением двух прядей волос. Часть информации в таком компьютере будет представлена в том, что прядь находится сверху в косе, а не в физических свойствах самих волос. Информацию, закодированную таким образом, также намного сложнее изменить, даже по сравнению с обычными квантовыми вычислениями.

Кроме того, квантовые биты, или кубиты, могут совершать гораздо меньше ошибок относительно кубитов, основанных на свойствах физических объектов, таких как сверхпроводящие схемы, из которых состоят квантовые машины Google и IBM. Например, когда такие квантовые компьютеры выполняют сложные алгоритмы, схема может случайно изменить свойство своего соседа, что сразу же приводит к ошибке — при этом разработчики обычно долго не могут ее найти и не до конца понимают, как ее исправить. Топологические квантовые компьютеры были бы устойчивы к этому типу ошибок.

Топологические квантовые вычисления используют область геометрии, известную как топология, отсюда и название технологии. Топологи изучают свойства объектов, которые остаются неизменными, несмотря на их деформацию. Например, представьте, что вы лепите кусок глины в форме пончика. После этого пончик достаточно легко превратить в форму кофейной чашки — при этом не разрывая глину и не скрепляя ее повторно. Таким образом, согласно геометрии, у формы пончика и кофейной чашки есть общие черты или, как говорит эта теория, они топологически эквивалентны.

Профессор Джонатан Доулинг. Фото: Университет штата Луизианна

Точно так же топологический кубит будет сохранять содержащуюся в нем информацию до тех пор, пока остается в топологически эквивалентном состоянии. Ученые могут деформировать этот кубит «настолько, насколько пончик отличается от кофейной чашки, и он при этом будет работать», как отмечает профессор Доулинг.

Приверженцы этой теории уверены, что такой квантовый компьютер является самым стабильным из всех возможных устройств такого типа. Пока существует только одна проблема — физики не знают, как построить топологический квантовый компьютер.

Разработки топологических систем

Джон Прескилл занимается проблемой топологических квантовых компьютеров с 1997 года, когда Китаев впервые приехал в США с лекциями из Москвы. Ученый называет эту гипотезу «максимально эстетичной и красивой — настолько, насколько это возможно в физике и геометрии».

По его словам, единственный способ избежать ошибок квантовых вычислений в топологическом квантовом компьютере и позволить устройству верно расшифровывать всю информацию — это создать дополнительные программные алгоритмы. Сам Китаев, который сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте, занимается созданием прототипа топологического квантового компьютера, который сам себя защищает от ошибок. Такое устройство будет использовать кубиты, которые можно будет растягивать и деформировать, сохраняя при этом информацию.

Джон Прескилл

При этом Доулинг считает, что эти физики «увлечены прекрасной математикой», а для попытки реализации такой технологии им придется создать рабочий аппарат, который «в условиях современной физики просто не будет работать». Он сравнивает топологические квантовые вычисления с теорией струн — когда-то популярным подходом к объяснению всех законов физики, который постепенно утратил свою популярность в академической среде, поскольку идеи этой теории невозможно экспериментально проверить.

Доулинг считает, что исследователи топологического квантового компьютера пока не могут доказать, что они способны работать с неабелевыми анионами в материале, чтобы заставить электроны формировать эту различную структуру. Это означает, что они всё еще не могут построить фундаментальный компонент топологического квантового компьютера. Кроме того, некоторые из предполагаемых преимуществ анионов существуют только тогда, когда они поддерживаются при практически невысоких температурах, близких к абсолютному нулю. В этом отношении они ничем не лучше квантовых компьютеров, подобных устройству Google, построенных из сверхпроводящих цепей.

Лицо квантовых вычислений

Сами физики знакомы друг с другом уже несколько десятилетий. Сегодня Прескилл стал, если можно так сказать, публичным лицом всех квантовых вычислений и главным популяризатором этой истории. Он часто дает комментарии и интервью научно-популярным изданиям о квантовых концепциях, придумывает простые объяснения достаточно сложным теориям. Кроме того, Прескилл придумывает терминологию квантовых концепций для увеличения внимания к этой области, например, термин «квантовое превосходство», которое в 2019 году использовал Google для описания своего знакового эксперимента по созданию квантовой системы, которая может с некоторыми процессами справиться быстрее, чем обычная вычислительная машина.

Прескилл очень любит делать ставки с другими учеными. В 2004 году он публично поспорил с физиком Стивеном Хокингом о том, можно ли в последствии получить информацию об объектах, которые были поглощены черной дырой. В итоге Хокинг официально признал, что его теория оказалась неверной, а информация все-таки может вырваться из черных дыр — в крайне редких случаях.

Ученые нередко используют публичные споры, чтобы стимулировать разработку в различных областях. По словам Прескилла, в 1999 году он поспорил с Агентством национальной безопасности США, что за 10 лет появится первый квантовый компьютер, который они смогут использовать для чего-то. Он проиграл, однако благодаря публичному спору несколько десятков ученых заинтересовались этой технологией и АНБ выделило средства на их разработки.

В последние годы некоммерческий фонд Long Now Foundation, целью которого является стимулирование долгосрочного мышления, работает над проектом Long Bet — сервисом, на котором люди могут следить за научными ставками, которые включают в себя предсказания роста или падения мирового населения, будущего Великобритании или, наконец, создания топологического квантового компьютера.

  • Автор: Святослав Иванов
СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "IT"