Are you high? — из чего сделаны кубиты в квантовых компьютерах

Квантовая физика

Из чего сделаны кубиты в квантовых компьютерах. Долго про науку не было, потому что я все пыталась подготовить вам про кристаллы времени.

И тут до меня дошло, что компьютеры-то – они настоящие!

Когда я посмотрела впервые про кристалл времени, у меня как-то автоматически сложилось в голове, что они сделали просто какую-то симуляцию.

Есть гугловский квантовый компьютер, который называется Sycamore. И вот они в нем сделали кристалл времени. А я это так воспринимаю, ну совершенно на автомате, что просто какая-то анимация виртуальная, которая показывает, как эти частицы меняют спины.

Вообще это поразительно: то, что я программист, ни черта делу не помогает.

Понимаете, у меня же рабочие результаты – они виртуальные, их нет физически никогда. И я привыкла так все и воспринимать, что это все компьютерное – оно не настоящее.

Например, эти нули и единицы – это типа просто код такой. Цифры и слова, закодированные через 0 и 1. Потому что эти нули и единицы где-то легче хранить как базовые блоки информации где-то в недрах этого ящика.

И все это мое виртуальное представление реальности продолжалось до тех пор, пока меня в комментах не спросили: “А почему именно 0 и 1?”

А это же просто ВКЛ и ВЫКЛ!

Более или менее современные компьютеры – они же были релейные, и там это натурально ВКЛ и ВЫКЛ. Как выключатель для света.

То есть лампочка горит, либо лампочка не горит. Единица или ноль.

Дальше уже получается: стоит 4 лампочки подряд. И горят или не горят: один, ноль, ноль, один. И это означает, например, букву Б. То есть ты такой, стоишь, в окно светишь фонарем, шифр передаешь куда-то там.

Потом появились транзисторы, и мы всё это начали, наконец, уменьшать, уменьшать. Посмотрите, как в iPhone выглядят микрочипы: в тысячи раз меньше толщины волоса.

Транзисторы, кстати, уже работают на уровне фотонов и электронов, но все равно наступил такой предел, когда меньше уже невозможно.

И тут начинаются квантовые компьютеры. Опять же, у меня все время какое-то восприятие было, что это просто какое-то модное слово – квантовый компьютер.
Мы тут глупостями занимаемся про всякие квантовые скачки во Вселенной.

А это же реальное! Реально из квантов сделано!

И вот рисует мое воображение кубит. Ну раз кубит, значит – это кубик. А внутри кубика заключен, например, электрон.

Ну и читаю, что вот, например, фотоны передают информацию между электронами, и я прям так и представляю. Вот стоит такая комнатка, в ней тусуется электрон. Заходит такой фотон: “Ну что тут?”

И информацию выносит в другую комнату.

Но этого же быть не может, потому что это то же самое, что запереть человека в клетку, где ширина между прутьями по полметра. Куда ты заключишь электрон, как ты его поймаешь? Всё, что вокруг него, сделано из таких же электронов! То есть он может двигаться туда-сюда, куда ему угодно.

Итак, поехали.

Кубиты могут быть разными

Бывают, которые работают на электронах, бывают ионные, и бывают фотонные. Я вам расскажу на примере ионов.

Первое же, от чего сносит крышу, что у вас вот этим ВКЛ и ВЫКЛ, этой лампочкой, является сам ион!

Что такое ион.

Это берут атом какой-нибудь, у них там целый список есть и, как правило, забирают из него 1 электрон. И тогда этот атом становится положительно заряженным.

Ну вы же помните из школы, что атом состоит: ядро из протонов, они – плюсики, положительно заряжены. Вокруг них – электроны – это минусики, отрицательно заряженные. В любом атоме сколько плюсов, столько и минусов. Если один минусик убрать – атом будет положительно заряжен.

Теперь смотрите, если через ион пропустить луч лазера, то есть попасть в него фотоном, то что у нас происходит? Если фотон попадает в электрон или в несколько, то они переходят на более высокий энергетический уровень. И в целом говорят, что атом переходит в возбужденное состояние.

Электрон был вот на этой орбите. В него ударил Фотон. Он вылетел на следующую орбиту и носится весь такой радостный. А этот, в которого не ударил, спрашивает: “Are you high?” – что означает: “Ты высоко?”, а также “Ты что – под кайфом?”

В общем, этот наколбасился – летал, летал, потом в итоге испустил фотон. Фотон вышел из электрона. Электрон упал на предыдущую орбиту, туда же, где и был – на базовый уровень.

Мы принимаем, что у нас возбужденное состояние атома – это 1.

А базовое состояние, когда все на своих местах – это 0.

Ну и плюс еще прикол квантовых компов в том, что атом может находиться в состоянии суперпозиции, когда мы не знаем, возбужден он или нет. И это у нас будет соответствовать и 0, и 1 одновременно.

Но это уже другое. Нам же всем интересно, как они удерживают эти ионы?

И тут мы вспоминаем Николу Тесла!

Слушайте, я понимаю, что электромагнетизм был открыт до него, и переменный ток тоже. Но именно Тесла придумал, как это все объединить и сделать реальные работающие вещи. Так что у меня сразу ассоциации были с катушкой Теслы, с его бесконтактным электромагнитным двигателем, потому что ионы мы теперь удерживаем с помощью электромагнитной ловушки!

Короче говоря, у них есть вот такие микрочипы, которые продуцируют переменное электромагнитное поле с помощью переменного тока.

Эти синенькие точечки – это ионы.

Ведь ион нам зачем? Почему нам нужна именно заряженная частица? Потому что, когда она заряженная, она начинает реагировать на магнитное поле.

То есть такая частица стремится либо к плюсу, либо к минусу. По этому принципу работает электрический ток.

И вот они включают в одну сторону ток: спродуцировалось магнитное поле, например, плюсовое, и этот ион отталкивается от чипа. Он же тоже плюсовой! Потом ток переменился, электрончики внизу побежали в другую сторону, спродуцировалось теперь отрицательное магнитное поле. И этот положительный ион начал к пластинке притягиваться.

Но если установить частоту этого переменного тока гораздо выше, чем может реагировать ион, чем он успевает вверх-вниз колебаться, то он только дернется наверх – его вниз тянет. Только он хочет вниз – его наверх выталкивает. И таким образом он оказывается пойманным в ловушку. То есть он левитирует над этим чипом дальше.

Далее.

Как нам обнулить всю систему?

Нам нужно сделать так, чтобы все ионы приняли позицию 0.

Для этого мы экстремально охлаждаем всю эту систему, то есть там температуры, близкие к 0 по Кельвину. А дело в том, что электроны никогда не перестают вибрировать, они все принимают свои базовые уровни энергетические, то есть они все встают на свои орбиты и всё.

Значит температуры всех обнулили.

Дальше через ряд этих ионов пропускается лазер. Как они закладывают туда информацию. Вот эти алгоритмы я даже представить не могу.

Тем не менее, когда лазер попадает в этот ряд ионов, то есть фотоны попадают в электроны – те возбуждаются.

Какие-то ионы у нас остаются на базовом уровне – это нули. Какие-то становятся единицами. И они все вместе начинают производить вычисления.

И повторюсь: так как они и еще и в суперпозиции, то некоторые ионы могут участвовать в качестве 0 в одном вычислении и параллельно с этим в качестве 1 в другом вычислении. За счет этого у нас экспоненциальный рост калькулятивных возможностей.

Итак, пока мы не подглядываем, все эти ионы колбасятся, находятся в суперпозиции и совершают какие-то там вычисления.

И вот у нас готов результат. Как его снять?

Нам же в конце-то надо собрать все эти данные: кто из них ноль, кто единица по результату, чтобы декодировать.

И они светят через эти ионы резонансным лазером.

А дело в том, что фотоны могут снимать информацию об электронах. Не будем вдаваться тут в подробности, главное то, что электроны теряют свою суперпозицию.

То есть больше всего это похоже на “Море волнуются три – морская фигура замри!”

Интересно, правда – электроны же имеют волновую природу, и они замирают – локализуются.

То есть всё – суперпозиция разваливается. И мы можем считать – какие из них где? Кто из них нули, кто единицы?

Как двухщелевой эксперимент: как только мы подглядываем, где электрон – волновая функция схлопывается! И электрон определяется со своей позицией.

А дальше уже эти нули и единицы передаются на обычные компы, выводятся результаты через обычные мониторы.

Вот затравку про кристалл времени я вам оставлю: кристалл времени не виртуальный! Это не анимация. Это реальные частицы принимают определенное положение, определенное состояние. И про это я отдельно, конечно же, сделаю.