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

В поисках ядерного буксира В поисках ядерного буксира

Почему ядерные корабли до сих пор не появились?

Популярная механика
«Как я спасся с 81 этажа Центра международной торговли». Прямая речь американца, выжившего в теракте 11 сентября «Как я спасся с 81 этажа Центра международной торговли». Прямая речь американца, выжившего в теракте 11 сентября

Утром 11 сентября Майкл был клиентщиком, через 2 часа его жизнь перевернулась

Esquire
Разница во времени Разница во времени

Если один из партнеров заметно старше, жди скандала

Cosmopolitan
Алла Демидова. Несокрушимая и легендарная. В новом фильме Любови Аркус «Кто тебя победил никто» Алла Демидова. Несокрушимая и легендарная. В новом фильме Любови Аркус «Кто тебя победил никто»

«Кто тебя победил никто» — этого фильма не должно было быть

СНОБ
Кольцо просвещения: зачем России начинают строить крупнейшую рентгеновскую установку Кольцо просвещения: зачем России начинают строить крупнейшую рентгеновскую установку

СКИФ — источник рентгеновских лучей, обещает стать основой для новых открытий

Forbes
Найден способ сделать перовскитовые солнечные батареи еще эффективнее Найден способ сделать перовскитовые солнечные батареи еще эффективнее

Ученые Нового физтеха ИТМО нашли способ повысить эффективность солнечных батарей

Популярная механика
«Почему я не хочу читать дочери сказку про Золушку» «Почему я не хочу читать дочери сказку про Золушку»

Золушка не та, за кого себя выдает, а ее успех построен на умелых манипуляциях

Psychologies
5 ошибок основателя ManyChat Микаэла Яна 5 ошибок основателя ManyChat Микаэла Яна

Основатель ManyChat — о своих ошибках за пять лет существования сервиса

Inc.
Личный опыт: как быть, если нужно сменить название продукта Личный опыт: как быть, если нужно сменить название продукта

Как провести ребрендинг с наименьшими потерями

Inc.
«Муж отдал брату мои сбережения, а семья его защищает» «Муж отдал брату мои сбережения, а семья его защищает»

Когда партнер нарушает денежные договоренности, брак может дать трещину

Psychologies
7 мужских способов справиться с осенней хандрой 7 мужских способов справиться с осенней хандрой

Врачи советуют, как справиться с сезонной депрессией

Maxim
Смерть онлайн: самые жуткие убийства российских блогеров Смерть онлайн: самые жуткие убийства российских блогеров

Ужасные смерти блогеров, которые нас потрясли

Cosmopolitan
Охотники-рыболовы на северо-востоке Швеции научились плавить железо около 2200 лет назад Охотники-рыболовы на северо-востоке Швеции научились плавить железо около 2200 лет назад

Археологи обнаружили на двух стоянках свидетельства развитой металлургии

N+1
13 лет рабства: что рассказал о Бритни Спирс новый фильм Netflix 13 лет рабства: что рассказал о Бритни Спирс новый фильм Netflix

«Бритни против Спирса» — фильм для любителей дотошных криминальных процедуралов

РБК
15 вещей, которые девушки не делают принципиально 15 вещей, которые девушки не делают принципиально

Негласный кодекс поведения с мужчинами, которого придерживаются девушки

Maxim
Нейросеть определила особенности походки у животных с болезнью Паркинсона Нейросеть определила особенности походки у животных с болезнью Паркинсона

ИИ определил общие двигательные черты болезни Паркинсона у человека и мыши

N+1
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
Вокруг окна Вокруг окна

Ремонт и отделка оконных откосов

Идеи Вашего Дома
Дом, в котором... Дом, в котором...

«Белая школа» — выставка Кати Рожковой на Полотняном заводе в усадьбе Щепочкина

Seasons of life
Как отмыть духовку до блеска: простые домашние способы Как отмыть духовку до блеска: простые домашние способы

Как помыть духовку в домашних условиях

VOICE
Как пользоваться хайлайтером для лица: пошаговая инструкция Как пользоваться хайлайтером для лица: пошаговая инструкция

Как правильно наносить хайлайтер на лицо?

VOICE
Спасибо, папа Спасибо, папа

С папой в детстве я встречалась редко, хотя номинально он еще жил дома

Seasons of life
Иглы, таблетки, операции, развод: как певица похудела на 50 кг ради роли мечты Иглы, таблетки, операции, развод: как певица похудела на 50 кг ради роли мечты

Своей личной историей похудения поделилась певица и актриса Наталья Сидорцова

Cosmopolitan
Разрушительный тоталитаризм. Исмаэль Кадарэ: Дворец сновидений Разрушительный тоталитаризм. Исмаэль Кадарэ: Дворец сновидений

Отрывок из книги Исмаэля Кадарэ о вымышленном тоталитарном государстве

СНОБ
У нас всё тихо У нас всё тихо

Как выбрать звукоизолирующую входную дверь

Идеи Вашего Дома
«Иногда меня заказывают мужья»: мужчина-эскортник рассказал о своей жизни «Иногда меня заказывают мужья»: мужчина-эскортник рассказал о своей жизни

Каково это — быть современным жигало и почему женщины предпочитают «содержанок»

Cosmopolitan
7 лучших кинотрилогий 7 лучших кинотрилогий

Франшизы, где вторая и третьи части также хороши, как и первая (а то и лучше)!

Maxim
Как узнать размеры телевизора в сантиметрах: диагональ, ширина, высота Как узнать размеры телевизора в сантиметрах: диагональ, ширина, высота

Как понять, что телевизор с определенной диагональю поместится на тумбочку?

CHIP
Как не разочароваться в морском отдыхе на Мальдивах Как не разочароваться в морском отдыхе на Мальдивах

Мальдивы: на что обратить внимание, чтобы не испортить отпуск

РБК
5 решений для активного отдыха на воде, о которых вы могли не знать 5 решений для активного отдыха на воде, о которых вы могли не знать

Поймайте волну на озере, прокатитесь на велосипеде по морю

Популярная механика
Открыть в приложении