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

15 марта 44 года до н. э., Рим 15 марта 44 года до н. э., Рим

Гид путешественника во времени

Вокруг света
6 конспирологических теорий о катастрофах 11 сентября 2001 года 6 конспирологических теорий о катастрофах 11 сентября 2001 года

Мифы вокруг теракта 11 сентября в США

Популярная механика
Революция роботов: как происходит роботизация Японии Революция роботов: как происходит роботизация Японии

Роботы-консьержи и роботы-водители, продавцы, уборщики и учителя

Вокруг света
Как не сойти с ума в водовороте хаоса? Меняться Как не сойти с ума в водовороте хаоса? Меняться

Почему сегодня так важно не стоять на месте

GQ
«Дедовщина» на работе: как выстоять на новой должности «Дедовщина» на работе: как выстоять на новой должности

Как перейти от прессинга и «дедовщины» к здоровым отношениям на работе

Psychologies
5 правил установления здоровых границ 5 правил установления здоровых границ

что нужно сделать, чтобы выстроить и поддерживать личные границы

Psychologies
Три простых правила проведения онлайн-совещаний Три простых правила проведения онлайн-совещаний

Как провести удачную онлайн-презентацию — от слайд-шоу до языка тела

Inc.
Самые известные, но закрытые проекты Google Самые известные, но закрытые проекты Google

Продукты компании Google, о чьем закрытии многие до сих пор жалеют

Maxim
Fix Price для кофе Fix Price для кофе

Как бывший топ-менеджер открыл сеть кофеен с фиксированными ценами

Forbes
Шикарная Виктория Бекхэм: дразнящие фото певицы, дизайнера и светской львицы Шикарная Виктория Бекхэм: дразнящие фото певицы, дизайнера и светской львицы

Фотографии Виктории Бекхэм и история жизни Пош из Spice Girls.

Playboy
Не герой: что не так с профессором, который не остановил лекцию из-за стрельбы Не герой: что не так с профессором, который не остановил лекцию из-за стрельбы

Почему профессор из ПГНИУ не является ни героем, ни хорошим преподавателем

Cosmopolitan
«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
Осеннее равноденствие — 2021: как правильно подготовиться к долгой зиме Осеннее равноденствие — 2021: как правильно подготовиться к долгой зиме

В осенней части года тоже есть свое очарование и прелесть

Cosmopolitan
Жутко красиво: какими были бьюти-инструменты в эпоху наших бабушек и прабабушек Жутко красиво: какими были бьюти-инструменты в эпоху наших бабушек и прабабушек

На что шли наши предшественницы ради красоты в совсем недавнем прошлом?

Cosmopolitan
Молекулы предложили переводить в хиральную суперпозицию Молекулы предложили переводить в хиральную суперпозицию

Физики описали молекулы в квантовой суперпозиции

N+1
Неэффективный менеджер: пять черт характера, которые выдают плохого руководителя Неэффективный менеджер: пять черт характера, которые выдают плохого руководителя

Пять качеств, которые выдают плохого руководителя

Inc.
4 технологии, которые помогут в решении глобальной мусорной проблемы 4 технологии, которые помогут в решении глобальной мусорной проблемы

Какие технологии помогут людям сделать мир свободным от мусора

Популярная механика
Как парковаться, чтобы не получить штраф. Власти все объяснили Как парковаться, чтобы не получить штраф. Власти все объяснили

Какие правила важно соблюдать на платной парковке?

РБК
Субарктический климат не помешал кроманьонцам заселить Европу Субарктический климат не помешал кроманьонцам заселить Европу

Ученые исследовали фаунистические материалы из болгарской пещеры Бачо-Киро

N+1
Подтяжка манекенщицы: новый и простой тренд в пластике, который делает моложе Подтяжка манекенщицы: новый и простой тренд в пластике, который делает моложе

Высокие скулы и объемные губы Анджелины Джоли давно неактуальны!

Cosmopolitan
Как преодолеть языковый барьер и заговорить на иностранном, как на родном Как преодолеть языковый барьер и заговорить на иностранном, как на родном

Откуда берется «языковая тревожность» и как ее побороть

Psychologies
На пути к прогрессу На пути к прогрессу

Стоит ли отменять запрет на выращивание ГМ-культур в России

Агроинвестор
Красный принадлежит Coca-Cola, а голубой — Tiffany: как устроено единоличное «владение» цветом Красный принадлежит Coca-Cola, а голубой — Tiffany: как устроено единоличное «владение» цветом

Как компании регистрировали цвета как торговую марку

VC.RU
Карта акне: что расположение прыщей на лице говорит о твоем здоровье Карта акне: что расположение прыщей на лице говорит о твоем здоровье

Расположение прыщей на лице может многое сказать о причинах их появления

Cosmopolitan
Ошибки предпринимателей: почему вам не стоит быть, как Илон Маск Ошибки предпринимателей: почему вам не стоит быть, как Илон Маск

С чем сталкивается каждый начинающий предприниматель, после первого успеха

Inc.
Простой атомный маятник поможет построить теорию всего Простой атомный маятник поможет построить теорию всего

Как физики пытались подружить четыре взаимодействия

Популярная механика
Ревела, орала, напилась: как я приняла свой диагноз и вылечилась от рака груди Ревела, орала, напилась: как я приняла свой диагноз и вылечилась от рака груди

Наша героиня рассказала о своем опыте борьбы с раком молочной железы

Cosmopolitan
Ветер перемен Ветер перемен

Современная история о морских путешествиях в интерьере московской квартиры

SALON-Interior
«Просто друг»: почему мы оказываемся во френдзоне и держим в ней воздыхателей? «Просто друг»: почему мы оказываемся во френдзоне и держим в ней воздыхателей?

Как мы попадаем во френдзону и можно ли это изменить?

Psychologies
Французская писательница Кристин Анго издала серию книг об инцесте с отцом Французская писательница Кристин Анго издала серию книг об инцесте с отцом

Французская писательница Кристин Анго написала серию книг об инцесте

Cosmopolitan
Открыть в приложении