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

Как для советского кино строили соборы и создавали чудовищ Как для советского кино строили соборы и создавали чудовищ

Вспоминаем советское кино с самыми впечатляющими декорациями

Культура.РФ
Вопросы философии Вопросы философии

Продуманные решения и конфликты в новом проекте московского бюро Le atelier

AD
Вышел клип Хаски Вышел клип Хаски

Как снимали клип Хаски "Реванш"

Esquire
О чем болит наше тело: 7 важных сигналов О чем болит наше тело: 7 важных сигналов

Как распознать психосоматические сигналы нашего тела?

Psychologies
Отборные дети Отборные дети

Чем генетика может помочь родителям, мечтающим о здоровом потомстве

Vogue
Бизнесмен. Федор Овчинников Бизнесмен. Федор Овчинников

Федор Овчинников и его путь от микропиццерии в Сыктывкаре до сети «Додо Пицца»

GQ
В мире детства В мире детства

Делимся с нашими читателями беспроигрышными способами развлечь ребенка

Лиза
Ешь, спи, касайся: 7 простых способов сделать брак идеальным Ешь, спи, касайся: 7 простых способов сделать брак идеальным

Что надо делать, чтобы сохранить брак на долгие годы

Cosmopolitan
Премьера! Тизер об отношениях героев Тимоти Шаламе и Зендаи в «Дюне» Премьера! Тизер об отношениях героев Тимоти Шаламе и Зендаи в «Дюне»

Дени Вильнев, Тимоти Шаламе и Зендая — о съемках «Дюны»

Cosmopolitan
Что делать, если не получается достичь баланса между работой и личной жизнью Что делать, если не получается достичь баланса между работой и личной жизнью

Баланс между работой и личной жизнью – в вашем гардеробе

GQ
День в Торжке День в Торжке

Гуляем по Торжку вместе с филологом и экскурсоводом

Seasons of life
Обманчивая защита окружающей среды: почему хлопковые сумки-шопперы не лучшая альтернатива пластику Обманчивая защита окружающей среды: почему хлопковые сумки-шопперы не лучшая альтернатива пластику

Какую альтернативу пластиковым пакетам, а теперь и шопперам придумывают бренды

VC.RU
«Мне стоит переживать за свою безопасность, но это смешно»: история неудачного свидания «Мне стоит переживать за свою безопасность, но это смешно»: история неудачного свидания

Люди нередко устраивают проверки своим партнерам

Psychologies
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
Восстающий из пепла: история и современность BMW Восстающий из пепла: история и современность BMW

История автомобильной компании, которая трижды была на грани развала

Вокруг света
5 блестящих фактов о волосах 5 блестящих фактов о волосах

Узнай, какие секреты скрывает твоя шевелюра

Maxim
«Не плодите нищету». У родителей забрали 6 детей из-за жизни в антисанитарии «Не плодите нищету». У родителей забрали 6 детей из-за жизни в антисанитарии

Шестеро детей были найдены живущими в ужасном доме

Cosmopolitan
Выделиться из потока: как привлечь внимание венчурного инвестора холодным письмом Выделиться из потока: как привлечь внимание венчурного инвестора холодным письмом

На чем нужно заострить внимание инвестора, чтобы выделиться в потоке проектов

Forbes
“Теперь меня никто не тронет” “Теперь меня никто не тронет”

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

Psychologies
Не просто лишний вес: как ожирение нас убивает – рассказывает врач Не просто лишний вес: как ожирение нас убивает – рассказывает врач

Как возникает ожирение и что будет, если не лечить эту болезнь?

Cosmopolitan
Кто они ― лица современного танца России? Интервью с главными героями фестиваля Context. Diana Vishneva Кто они ― лица современного танца России? Интервью с главными героями фестиваля Context. Diana Vishneva

На смену ежегодному конкурсу приходит Вечер современной хореографии

СНОБ
Баловень судьбы: каким мы запомним Жан-Поля Бельмондо Баловень судьбы: каким мы запомним Жан-Поля Бельмондо

Рассказываем о наследии великого французского актера Жан-Поля Бельмондо

Forbes
Правило № 66. Нас ждет новый интернет Правило № 66. Нас ждет новый интернет

Как в скором времени будут зарабатывать инфлюенсеры

Tatler
«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 отец и сын придумали игровую консоль в виде куба и собрали предзаказы на $39 млн Как отец и сын придумали игровую консоль в виде куба и собрали предзаказы на $39 млн

WowCube — кубик Рубика нового поколения

Forbes
4 совета для секса втроем 4 совета для секса втроем

Эти советы спасут тебя от серии конфузов и промахов в групповом сексе

Maxim

Как итальянской красотке удается выглядеть потрясающе на протяжении долгих лет

VOICE
Обратная диета: ешь больше с каждым днем, чтобы похудеть и удержать вес Обратная диета: ешь больше с каждым днем, чтобы похудеть и удержать вес

Обратная диета: чтобы похудеть, надо есть больше

Cosmopolitan
Майя вернулись в город после извержения и построили из туфа пирамиду Майя вернулись в город после извержения и построили из туфа пирамиду

Извержение вулкана позитивно отразилось на социальной интеграции общества майя

N+1
“Нам свойственно идеализировать прошлое»: как молодые артисты возвращают моду на ретро-музыку” “Нам свойственно идеализировать прошлое»: как молодые артисты возвращают моду на ретро-музыку”

Феномен ностальгии в новой русской музыке

Esquire
Открыть в приложении