Какой стороной может упасть подброшенная в воздух монетка? Всего два варианта: орел или решка. Именно так работает двоичный код, лежащий в основе всех классических компьютеров, которыми мы пользуемся каждый день. Биты — элементарные носители информации в них — могут принимать только два значения: 0 либо 1. Но что если представить, будто монетка зависла в воздухе и одновременно находится в «суперпозиции» и орла, и решки?

Компьютер, где носитель информации хранит в себе сразу оба состояния, будет во много раз производительнее обычных вычислительных машин. Такую возможность для современной электроники открывает квантовый мир — вот почему уже три десятилетия сильнейшие страны мира соревнуются в создании квантовых компьютеров. Эти машины способны произвести революцию в самых разных сферах жизни человека: они смогут разрабатывать новые лекарства, моделировать химические реакции, предсказывать спрос, шифровать данные и многое другое.

Специалисты лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ под руководством профессора Алексея Витальевича Кавокина решают различные практические задачи, связанные с созданием суперпроизводительных устройств для квантовых вычислений. Одна из ключевых задач — эффективное управление потоком фотонов, элементарных частиц света.

Дело в том, что в каждой классической микросхеме, спрятанной внутри ноутбука или смартфона, в качестве «передатчиков» информации выступают электроны. Лучшими претендентами на их роль в квантовых компьютерах сегодня считаются фотоны: благодаря им скорость обработки информации в таких машинах будет приближаться к скорости света. Однако управлять светом гораздо сложнее, чем электронами. Физики СПбГУ предложили свое решение этой нетривиальной задачи. Они создали поляритонный оптический поляризатор — «ловушку» для фотонов.

Такое решение дает возможность быстро управлять фотонами, например, в оптоволоконных интернет-кабелях, что позволяет во много раз повысить их пропускную способность — это особенно важно для устройств искусственного интеллекта, в которых все построено на очень быстром обмене информацией. К тому же микроскопический размер поляризатора (миллионные доли метра) поможет заменить толстые оптоволоконные кабели на структуры в тысячи раз миниатюрнее, заметно уменьшив габариты самих квантовых устройств.

Еще одна важная задача, которую решают ученые из лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ, — это создание той самой «зависшей в воздухе монетки», кубита, аналога бита в квантовом мире, способного находиться в суперпозиции, то есть хранить в себе сразу оба состояния: и «орла», и «решки». Однако мало создать изолированный носитель информации, важно представить работающую систему из нескольких кубитов, которые «рассматривают» все варианты комбинаций нулей и единиц одновременно.

Например, всего четыре кубита способны одномоментно представить все 16 возможных комбинаций «орлов» и «решек». Если вы, скажем, забыли пин-код от своего телефона, то классический компьютер для решения этой задачи перебирал бы все возможные комбинации цифр по очереди. А вот квантовый, так как в нем есть кубиты, проверил бы сразу все и мгновенно выдал забытую последовательность.

«Кубит играет в квантовом компьютере ту же роль, что и транзистор в классическом. Мы в лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ смогли реализовать систему из четырех кубитов и научились проводить с ними все логические операции. Следующий шаг — масштабирование. Хотя в классическом компьютере используют миллиарды транзисторов, в квантовом будет достаточно всего нескольких сотен кубитов», — объяснил Алексей Витальевич Кавокин.

100 кубитов к 2030 году — такая цель стоит сегодня перед физиками СПбГУ. Квантовые системы, включающие в себя столько же носителей информации, уже существуют в арсенале таких компаний, как Google или IBM. Но с очень важным отличием: они не могут работать при комнатной температуре.

Для сохранения эффекта сверхпроводимости коллегам из других стран приходится использовать дорогие криостаты — резервуары с жидким азотом или сжатым гелием, внутри которых квантовые процессоры охлаждаются до температуры ниже −270 °C. Несложно предположить, что создание таких условий обходится очень дорого, а скорость работы подобных устройств, как отмечают физики, нередко даже ниже, чем у разработки ученых СПбГУ.

Технологическое преимущество стало возможным благодаря прорывным теоретическим работам Алексея Кавокина и его коллег: еще в 2003 году они предсказали существование бозе-эйнштейновской конденсации при комнатной температуре — эффекта, позволившего создать поляритонный лазер, который в свою очередь помог создать кубиты, не нуждающиеся в постоянном охлаждении.

Сегодня работа физиков СПбГУ ведется в рамках дорожной карты высокотехнологичной области «Квантовые вычисления» (национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации»), координатором которой выступает госкорпорация «Росатом». Вместе с Санкт-Петербургским государственным университетом задачи, связанные с созданием производственной базы, разработкой прототипов квантовых продуктов и подготовкой кадров, решают самые разные государственные учреждения и коммерческие организации: Минкомсвязи, Минэкономразвития, Минобрнауки, «Газпромбанк», Сбербанк, Российский квантовый центр, Центр квантовых технологий МГУ, НИТУ МИСиС и многие другие.

Кроме участия серьезных игроков, на развитие отрасли влияет и масштабный объем инвестиций. Так, согласно исследованию компании «Рексофт Консалтинг», с 2020 по 2024 годы государство выделило 24,1 млрд рублей для поддержки этой сферы. Такие инвестиции должны окупиться сторицей: по прогнозам, к 2040 году рынок квантовых вычислений России превысит уже 250 млрд рублей. Сегодня это предсказание не кажется таким уж фантастическим. Возможно, благодаря в том числе разработкам физиков СПбГУ первые отечественные квантовые компьютеры появятся всего через несколько лет — уже в 2028–2030 годах.