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

Человек из Петербурга Дормидошин опережает Pitti Uomo на два года вперед. Как ему это удается? Человек из Петербурга Дормидошин опережает Pitti Uomo на два года вперед. Как ему это удается?

Юрий Дормидошин первым в городе стал носить «интеллектуальные» бренды

Собака.ru
Степняки начали пить молоко пять тысяч лет назад Степняки начали пить молоко пять тысяч лет назад

Ученые нашли молочные белки в зубном камне представителей ямной культуры

N+1
15 грубых ошибок, которые ты постоянно делаешь, во время ухода за собой 15 грубых ошибок, которые ты постоянно делаешь, во время ухода за собой

Зачастую старания оказываются напрасны из-за распространенных ошибок ухода

VOICE
Сколько на чай оставлять заправщику на АЗС и оставлять ли вообще. Отвечаем на три главных вопроса Сколько на чай оставлять заправщику на АЗС и оставлять ли вообще. Отвечаем на три главных вопроса

Как не выглядеть жлобом на АЗС и не разориться одновременно

Maxim
Жил в пузыре, умер от рака: трагическая история мальчика без иммунитета Жил в пузыре, умер от рака: трагическая история мальчика без иммунитета

Дэвид Веттер прожил всего 12 лет, но его судьба оказала влияние на медицину

Cosmopolitan
«Телевизор» и «дом с глобусом»: история здания ТАСС «Телевизор» и «дом с глобусом»: история здания ТАСС

Как разрабатывали проект здания ТАСС

Культура.РФ
Российские археологи раскопали под Муромом мезолитические стоянки Российские археологи раскопали под Муромом мезолитические стоянки

Археологи нашли мезолитическую сезонную стоянку древних охотников

N+1
«Мне легче делать, а не говорить». Интервью с режиссером Кирой Коваленко «Мне легче делать, а не говорить». Интервью с режиссером Кирой Коваленко

Кира Коваленко — о ее происхождении и отношениях с Кавказом

Esquire
«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
Калина красная: как и зачем есть горькие ягоды Калина красная: как и зачем есть горькие ягоды

Какими полезными свойствами обладает калина и почему ее стоит попробовать

РБК
Фаберже — инструмент капиталиста Фаберже — инструмент капиталиста

Аукционный дом Christie’s готов зафиксировать новые рекорды цен

Forbes
«Никогда не делайте все сами»: интервью с автором «Стоицизма 2.0» Массимо Пильюччи «Никогда не делайте все сами»: интервью с автором «Стоицизма 2.0» Массимо Пильюччи

Массимо Пильюччи — как быть более справедливым, смелым и добрым

Forbes
7 самых смешных и опасных типажей клиентов в фитнес-клубе: берегись! 7 самых смешных и опасных типажей клиентов в фитнес-клубе: берегись!

Шесть типажах фитнес-клиентов, которых ты встретишь в каждом клубе

VOICE
Замок из песка. В Венеции показали «Дюну» Дени Вильнева Замок из песка. В Венеции показали «Дюну» Дени Вильнева

Фантастический фильм Дени Вильнева оказался жертвой завышенных ожиданий

РБК
«Я приму внебрачных детей бывшего мужа»: Анфиса Чехова рассказала о личной жизни «Я приму внебрачных детей бывшего мужа»: Анфиса Чехова рассказала о личной жизни

Анфиса Чехова рассказала об отношениях с мужчинами

Cosmopolitan
Срок годности: что такое AGE-продукты и почему их употребление стоит сократить Срок годности: что такое AGE-продукты и почему их употребление стоит сократить

Какие риски для здоровья и внешности скрываются за AGE-маркировкой?

Esquire
Почему мы регулярно видим один и тот же кошмар? Почему мы регулярно видим один и тот же кошмар?

Что означают кошмарные сюжеты снов, особенно если они регулярно повторяются

Psychologies
Ариан Кальво: «Неудачи могут быть вдохновляющими и мотивирующими» Ариан Кальво: «Неудачи могут быть вдохновляющими и мотивирующими»

В нашем сознании упустить или не получить что-то означает, что мы неудачники

Здоровье
Натальная карта и здоровье: как астрология может помочь лучше понять свое тело Натальная карта и здоровье: как астрология может помочь лучше понять свое тело

Чем нам может помочь натальная карта?

Cosmopolitan
Как работает эрекция: ответы на вопросы, которые давно тебя мучат Как работает эрекция: ответы на вопросы, которые давно тебя мучат

Разбираем, что стоит за эрекцией — столь важным для половой жизни процессом

Playboy
Стражи здоровья: как состояние ротовой полости влияет на общее самочувствие Стражи здоровья: как состояние ротовой полости влияет на общее самочувствие

Как полость рта может помочь понять, что с организмом что-то не так?

Популярная механика
Их поменяли полами Их поменяли полами

Татьяна Алешичева о ремейке «Сцен из супружеской жизни»

Weekend
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
Ребенка мне родила подруга: как я стала мамой, несмотря на страх перед родами Ребенка мне родила подруга: как я стала мамой, несмотря на страх перед родами

Наша героиня не захотела доверить роды... своей подруге

Cosmopolitan
Найденный школьниками ископаемый гигантский пингвин получил научное описание 15 лет спустя Найденный школьниками ископаемый гигантский пингвин получил научное описание 15 лет спустя

Палеонтологи описали гигантского пингвина, который жил в Новой Зеландии

N+1
Ландшафт Марса может защитить колонистов от смертоносного излучения Ландшафт Марса может защитить колонистов от смертоносного излучения

Особенности марсианского рельефа могут существенно понизить угрозу облучения

Популярная механика
4 веские причины, почему каждый бизнесмен должен освоить тайм-менеджмент 4 веские причины, почему каждый бизнесмен должен освоить тайм-менеджмент

Ты удивишься, насколько может помочь навык управления временем

Playboy
Похитители тел Похитители тел

Из цикла произведений неизвестных авторов – «Похитители тел» Дмитрия Волкова

Esquire
Алкогений: Стивен Кинг Алкогений: Стивен Кинг

Стивен Кинг провел пятнадцать лет своей жизни в режиме чудовища

Maxim
Все о «Геликах»: обзор версий Mercedes G-Class с ценами Все о «Геликах»: обзор версий Mercedes G-Class с ценами

Все, что вы хотели знать о ценах на «Гелики»

РБК
Открыть в приложении