Зачем в России занялись кубитами на холодных атомах и ионах

N+1Наука

Квантовое преследование

Зачем в России занялись кубитами на холодных атомах и ионах

Александр Дубов при участии Ильи Ферапонтова

В гарвардском квантовом симуляторе на холодных атомах 256 кубитов. В российском квантовом симуляторе на холодных атомах — один. Десятикубитный квантовый вычислитель компании Honeywell на ионах — один из лидеров среди всех квантовых компьютеров вообще. В российских квантовых компьютерах на ионах — кубит тоже один. Будет лучше, говорят собеседники N + 1.

Полвентиля

В 1995 году физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) под началом Дэвида Уайнленда превратили ион бериллия в простейший логический элемент квантового компьютера — вентиль контролируемого отрицания CNOT. Для работы этого вентиля нужно два кубита: состояние одного может меняться или не меняться в зависимости от состояния второго. В качестве управляющего кубита ученые использовали механические колебания самого иона, а в качестве управляемого — состояния электрона, прыгающего между энергетическими уровнями.

Таблица вероятностей собственных состояний кубитов в ионе бериллия до (спереди) и после (сзади) работы вентиля CNOT. Состояния управляющего кубита |n〉 обозначены цифрами, состояния управляемого кубита |S〉 — стрелками. C. Monroe et al. / Physical Review Letters, 1995

Один изолированный ион может поработать сразу двумя кубитами, но дальше такой трюк уже не пройдет. Если объединять много ионов в квантовый процессор, то состояния электронов можно оставить в роли кубитов, а вот механические колебания ионов придется потратить на их связь между собой. Саму схему вентиля CNOT на ионах за полгода до этого придумали Игнасио Сирак и Петер Цоллер. Группа Уайнленда собрала полвентиля — но и этого оказалось достаточно, чтобы запустить гонку квантово-вычислительных платформ и заодно сделать через 17 лет Уайнленда нобелевским лауреатом. Когда физик приехал в Стокгольм забирать свою премию, модель Изинга — самую простую и самую подходящую для квантового моделирования систему — обсчитывали на квантовом симуляторе уже из девяти ионов.

Гонка на счетах

Конечно, кубиты придумал не Уайнленд и не Сирак с Цоллером. О возможности квантовых вычислений всерьез заговорили после того, как Ричард Фейнман в 1981 году оценил, какие ограничения при моделировании физических явлений есть у классических компьютеров, что делать, если нужно смоделировать квантовую задачу и что мог бы представлять из себя квантовый компьютер. Квантовых частиц, с которыми в 80-е могли управиться экспериментаторы, уже было немало: электроны, атомные ядра, ионы, фотоны, многочисленные квазичастицы — богатый выбор материала для кубита.

Но проще всего в начале 1990-х было собрать кубит из запчастей к атомным часам, которые начали производить на продажу еще в 50-е годы. Стандарт измерения времени уже двадцать лет как был привязан к электронным переходам в сверхтонкой структуре атома цезия. Атомные часы считали секунды при помощи системы лазерного охлаждения атомов, оптического резонатора и точного спектрометра. Лазерные лучи надежно фиксировали — «охлаждали» — частицы в заданном месте, а спектроскопические методы позволяли работать с квантовым состоянием электронов в них. Естественно, у Уайнленда в метрологическом институте нашлось все необходимое для того, чтобы поместить в лазерную ловушку охлажденный ион и считать его состояние.

А вот на то, чтобы из перепрофилированных атомных часов сделать, наконец, вычислитель, потребовалось еще восемь лет.

Схема ионной ловушки Пауля, состоящей из кольца в форме гиперболоида вращения (относительно оси z) и двух колпаков с гиперболической поверхностью (сверху и снизу). Вольфганг Пауль / Нобелевская лекция по физике / Успехи физических наук, 1990
Механическая модель ионной ловушки. Седловидная поверхность — потенциал в ловушке, а вращающийся в центре шарик — модельный ион. Вольфганг Пауль / Нобелевская лекция по физике / Успехи физических наук, 1990

Ионная логика

Полноценный двухкубитный вентиль CNOT по схеме Сирака–Цоллера сделали на ионах кальция в 2003 году австрийские физики. К этому моменту далеко впереди были квантовые компьютеры, работающие не на электронных спинах, а на ядерных. В ЯМР-компьютерах начала XXI века было уже целых семь кубитов, и они даже могли что-то посчитать: например, разложить 15 на простые множители. Однако ЯМР-платформа тогда же и заглохла на обочине — стало ясно, что масштабировать эту схему невозможно. Реальные конкуренты к старту только готовились.

Наработки по взаимодействию ЯМР-кубитов, впрочем, пригодились в ионных компьютерах. В 2001 году американские физики показали, как можно управлять взаимодействием двух ионных кубитов, используя последовательность лазерных импульсов, популярную при работе с ядерными спинами — ее-то австрийские ученые и реализовали.

Именно эту работу в беседе с N + 1 называет настоящим стартом ионной платформы Николай Колачевский, директор Физического института имени Лебедева, где сейчас тоже занимаются кубитами на ионах. «Первая теоретическая работа о двухкубитной операции появилась в 95-ом году. А как ее реализовать, продемонстрировали вообще только в 2001-ом. То есть на самом деле, на данный момент всей этой истории — лет двадцать».

По схеме, предложенной в 2001 году и реализованной на ионах кальция в 2003-м, взаимодействуют ионные кубиты в нынешних ионных квантовых компьютерах. При помощи системы лазеров два произвольных иона в цепочке превращают в квантовый осциллятор, а по схеме Сирака–Цоллера внешнее, колебательное квантовое состояние ионов запутывается с внутренним, электронным.

Матрица операции контролируемого отрицания. Первый кубит — управляющий, второй — управляемый. Ferdinand Schmidt-Kaler et al. / Nature, 2003
Измеренные вероятности собственных состояний двух ионных кубитов с включенным и выключенным вентилем CNOT. Ferdinand Schmidt-Kaler et al. / Nature, 2003

сверхпроводниках, так делать нельзя. Второй плюс заключается в том, что эти ионы довольно легко физически перемещать в пространстве. Компания Honeywell делает это на чипе с помощью планарных технологий. Они могут менять ионы местами, не нарушая при этом когерентность. У них не очень длинные ионные цепочки, и в них они умеют ионы переставлять фактически произвольным образом. Любой с любым».

В поисках лидера

Во конце 1990-х века лидер гонки был как будто бы ясен — квантовые компьютеры на ЯМР. Когда в начале XXI века их перспективы оказались туманными, одновременно с ионными компьютерами начали активно развиваться и остальные платформы. В 1999 году сделали первый прототип сверхпроводящего кубита. В 2001-м — придумали, как приспособить линейную оптику для квантовых вычислений, и предложили использовать в качестве кубитов ядерные спины около дефектов в кристаллической структуре алмаза.

К середине 2021 года в гонке участвуют больше десятка платформ, которые работают на совсем разных носителях: дефектах в алмазах, электронах в квантовых точках, джозефсоновских вихрях, трансмонах, майорановских фермионах. В России первый кубит — сверхпроводниковый — сделали в 2015 году, а сейчас моделируют фотонный транспорт уже на пятикубитном вычислителе.

К концу 2010-х годов кубиты на джозефсоновских контактах казались абсолютными лидерами. Они стоят в устройствах компании IBM, квантовых компьютерах Google, в вычислителях D-Wave на основе квантового отжига. Из крупных компаний, выпускающих квантовые компьютеры на рынок, только Honeywell и IonQ делают устройства на ионных кубитах, а не сверхпроводниковых.

Квантовый вычислитель — общее название для всех систем управляемых квантовых объектов, в которых можно задавать и считывать их квантовое состояние для решения вычислительных задач.

Квантовый компьютер — вычислитель, на котором можно выполнять квантовые алгоритмы, превращая кубиты в нужные логические вентили. В зависимости от архитектуры, компьютеры могут отличаться по универсальности, но все предназначены для решения сравнительно широкого набора задач.

Специализированный квантовый вычислитель — квантовая система из связанных кубитов, на которой можно выполнить конкретный алгоритм. Такие вычислители всегда предназначены для очень узкого класса задач. Например, системы D-Wave, которые работают на принципе квантового отжига, подходят для единственного подкласса задач оптимизации.

Квантовый симулятор — квантовый вычислитель, в котором система кубитов моделирует реальную физическую систему, например магнетик или сверхпроводник. В такой системе есть взаимодействие между кубитами, но нет выстроенных логических цепей. С помощью квантовых симуляторов можно предсказывать физические свойства квантовых систем.

Программируемый квантовый симулятор — промежуточный вариант квантового вычислителя между компьютером и симулятором. В процессе работы программируемого квантового симулятора можно менять квантовое состояние некоторых кубитов. Это увеличивает число систем, доступных для моделирования, и делает вычислитель более универсальным.

Ионная ловушка для программируемой квантовой платформы Honeywell. Honeywell

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности» «Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности»

Книга «Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности»

N+1
Как секта становится фундаментом идеального города Как секта становится фундаментом идеального города

Григорий Ревзин о Джеймсе Силке Бэкингеме и проекте города Виктория

Weekend
В Чили обнаружили доисторического крылатого ящера В Чили обнаружили доисторического крылатого ящера

Находка позволяет больше узнать о том, как расселялись животные в Юрском периоде

National Geographic
Роботы отправляются в мусор Роботы отправляются в мусор

Применение ИИ позволяет в разы уменьшить стоимость сортировки отходов

Эксперт
Что говорят о нас отношения с деньгами Что говорят о нас отношения с деньгами

По тому, как человек относится к деньгам, можно определить его образ мышления

Psychologies
Семейные традиции: по чьему сценарию мы живем и как его изменить? Семейные традиции: по чьему сценарию мы живем и как его изменить?

Мы думаем, что наша жизнь — это результат наших решений и действий, так ли это?

Psychologies
Кавказская трилогия Кавказская трилогия

За одну поездку можно осмотреть сразу три южные республики

Лиза
Автор. Дмитрий Глуховский Автор. Дмитрий Глуховский

Дмитрий Глуховский – о кино, цензуре и языке ненависти

GQ
8 ранних признаков рака яичников: от самых очевидных до почти незаметных 8 ранних признаков рака яичников: от самых очевидных до почти незаметных

Симптомы рака яичников, которые нельзя упускать

Cosmopolitan
Feduk — о новом альбоме, синдроме самозванца, праве на отказ и фридайвинге Feduk — о новом альбоме, синдроме самозванца, праве на отказ и фридайвинге

Feduk — о творчестве, «синдроме самозванца» и мировом соглашение с Элджеем

Esquire
Американский университет заработал $250 млн на напитке для обезвоженных футболистов: история Gatorade Американский университет заработал $250 млн на напитке для обезвоженных футболистов: история Gatorade

Кто придумал изотоник Gatorade, как делили права и кто сколько получает

VC.RU
В Марокко обнаружили самые древние украшения в мире В Марокко обнаружили самые древние украшения в мире

В Морокко нашли бусины возрастом 150 000 лет

National Geographic
Нулевая категория редкости: какие виды исчезли из дикой природы России Нулевая категория редкости: какие виды исчезли из дикой природы России

В последней редакции Красной книги более десятка видов исчезли из дикой природы

National Geographic
Ускользающие инопланетяне Ускользающие инопланетяне

Новая шкала инопланетных цивилизаций

Популярная механика
Право голоса Право голоса

Почему кино взяло курс на дайверсити?

Vogue
Почему люди не задержатся на Марсе дольше 4 лет Почему люди не задержатся на Марсе дольше 4 лет

Как космическая радиация ограничивает наши возможности изучения Марса

National Geographic
Российские бренды вышли из пандемии Российские бренды вышли из пандемии

Российская одежная индустрия получила новый импульс для развития

Эксперт
Галстук с ослами: на что намекает одежда Байдена и лидеров других стран Галстук с ослами: на что намекает одежда Байдена и лидеров других стран

Вещи политиков и глава государств с тайными смыслами

РБК
Зачем альпийские склоны укрывают одеялами Зачем альпийские склоны укрывают одеялами

Только такие экстремальные меры способны предотвратить таяние снега

National Geographic
«Камера темной энергии» не обнаружила в Солнечной системе 9-ю планету, зато нашла 461 новый объект! «Камера темной энергии» не обнаружила в Солнечной системе 9-ю планету, зато нашла 461 новый объект!

Ученые продолжают изучать как формировалась и эволюционировала Солнечная система

National Geographic
Поиск сокровищ: как предвидеть потребительские тренды Поиск сокровищ: как предвидеть потребительские тренды

Где искать тренды и как их предвидеть?

Inc.
Жители Приморья в эпоху палеометалла наладили два маршрута поставок медной руды Жители Приморья в эпоху палеометалла наладили два маршрута поставок медной руды

Археологи исследовали 12 бронзовых артефактов 1100–800 годов до нашей эры

N+1
«Он никогда не строил из себя героя». Экскурсия Льва Лурье по адресам Довлатова в Петербурге «Он никогда не строил из себя героя». Экскурсия Льва Лурье по адресам Довлатова в Петербурге

Лев Лурье провел экскурсию по адресам Довлатова в Ленинграде

СНОБ
“Теперь меня никто не тронет” “Теперь меня никто не тронет”

Что подтолкнуло нашу героиню пойти в монахини и о чем она жалеет?

Psychologies
От «вековухи» до «большухи»: как жили старые девы на Руси От «вековухи» до «большухи»: как жили старые девы на Руси

Седая макушка, девуниха, домовуха — как только не называли старых дев на Руси!

Cosmopolitan
Аглая Епанчина Аглая Епанчина

Психотерапевт размышляет о характере персонажа из романа «Идиот»

Psychologies
Почему электронному голосованию пока рано верить Почему электронному голосованию пока рано верить

Технология электронного голосования ненадежна

Forbes
Кудри на гвоздях, эпиляция пемзой: жуткие, но правдивые бьюти-истории из 90-х Кудри на гвоздях, эпиляция пемзой: жуткие, но правдивые бьюти-истории из 90-х

Как женщины наводили марафет в 90-х?

Cosmopolitan
Эффектная визуализация ледникового периода похожа на Стену из «Игры престолов» Эффектная визуализация ледникового периода похожа на Стену из «Игры престолов»

Как выглядел бы гигантский ледяной щит над холмами Шотландии

National Geographic
Футбольные фанаты спасают кота с помощью флага: видео Футбольные фанаты спасают кота с помощью флага: видео

Животное отделалось легким испугом

National Geographic
Открыть в приложении