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

Исторический экскурс: как наши предки следили за гигиеной Исторический экскурс: как наши предки следили за гигиеной

Как изменялись средства личной женской гигиены?

Популярная механика
«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
«Меня подкосила болезнь папы»: Николай Басков признался, почему не женился «Меня подкосила болезнь папы»: Николай Басков признался, почему не женился

Николай Басков откровенно рассказал о личной жизни и планах на будущее

Cosmopolitan
20 лет теракту 11 сентября. Вспоминаем этот день в 20 фотографиях 20 лет теракту 11 сентября. Вспоминаем этот день в 20 фотографиях

11 сентября 2001 года в Нью-Йорке был совершен крупнейший теракт в истории

Esquire
Почему талибы не откажутся от казней? Рассказывает боевик Почему талибы не откажутся от казней? Рассказывает боевик

Талибы возвращаются к одной из самых жестоких тактик прошлого

Maxim
Популярные нарушения в городе, за которые лишают прав. Подробности Популярные нарушения в городе, за которые лишают прав. Подробности

Нарушения автомобилистов, которые могут привести к лишению прав

РБК
«Я, он и его собака»: как быть, если вы не любите питомцев партнера «Я, он и его собака»: как быть, если вы не любите питомцев партнера

Что делать, если вы не любите домашних животных партнёра

Psychologies
9 вопросов, которые улучшат вашу сексуальную жизнь 9 вопросов, которые улучшат вашу сексуальную жизнь

О чем следует спросить, чтобы ваш секс стал лучше?

Psychologies
Потеряла 25 кг и мужа: как кетодиета разрушила мой брак Потеряла 25 кг и мужа: как кетодиета разрушила мой брак

Не все ожидают, что соблюдение диеты спровоцирует разрыв длительных отношений

Cosmopolitan
​​Ордер на заселение в ад: «Общага» — суровая и красивая студенческая антисоветская драма ​​Ордер на заселение в ад: «Общага» — суровая и красивая студенческая антисоветская драма

Самая ожидаемая премьера фестиваля «Общага» получила приз за лучший дебют

Esquire
Пропавшую 23-летнюю россиянку обнаружили прикованной наручниками в гараже Пропавшую 23-летнюю россиянку обнаружили прикованной наручниками в гараже

Громкая история, которая завершилась драматической развязкой

Cosmopolitan
Осел в небе, или Новые рекорды. Алексей Шупляков: «Триумфы» Осел в небе, или Новые рекорды. Алексей Шупляков: «Триумфы»

Дебютный рассказ Алексея Шуплякова «Оптицевание»

СНОБ
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
Насколько полезен шиповник: мнение эксперта Насколько полезен шиповник: мнение эксперта

Шиповник — это не только красивые цветы, но и полезные плоды

РБК
Стоп-менеджер Стоп-менеджер

Почему тебя до сих пор не повышают? Есть пять вероятных причин

Cosmopolitan
Предсказать будущее на 8 секунд Предсказать будущее на 8 секунд

Российский дата-сайнтист решал важную задачу в индустрии автономного вождения

Популярная механика
5 ошибок сооснователя Postoplan Алексея Божина 5 ошибок сооснователя Postoplan Алексея Божина

Сооснователь Postoplan — о том, как едва не лишился части компании

Inc.
Napster, LimeWire и другие: пиратские сервисы из начала 2000-х, которые сделали музыку доступной Napster, LimeWire и другие: пиратские сервисы из начала 2000-х, которые сделали музыку доступной

Какие были популярные пиратские сервисы 2000-х и как они работали

VC.RU
Палочка-выручалочка калибра 88 мм. История самой грозной немецкой пушки Палочка-выручалочка калибра 88 мм. История самой грозной немецкой пушки

Эта пушка лопала танки как воздушные шарики

Maxim
Финансовым рынкам грозит обвал на 20%: что станет причиной и к чему приведет Финансовым рынкам грозит обвал на 20%: что станет причиной и к чему приведет

Налоговая инициатива, грозящая инвесторам потерей прибыли и обвалом рынка

Forbes
Как рыба в воде Как рыба в воде

Как этот юноша с горящим взором стал главной кинозвездой, прямо здесь и сейчас

Glamour
Носатый полоз Носатый полоз

Зачем змее такой нос?

Weekend
Как выглядят звёздные луки на обычной женщине Как выглядят звёздные луки на обычной женщине

Пышные формы и правда мало что меняют, если наряд подобран правильно

Cosmopolitan
Мужской фактор Мужской фактор

Причина бесплодия может быть не только в женщине, но и в мужчине

Лиза
Почему быть застенчивым не всегда плохо? Почему быть застенчивым не всегда плохо?

Как скромность, иногда даже излишняя, может стать нашим хорошим другом

Psychologies
Сколько стоит пить? Сколько стоит пить?

Каким будет место алкоголя в “новой нормальности”?

Men’s Health
«Разжимая кулаки»: режиссер Кира Коваленко о победе в Каннах, Балагове и Сокурове «Разжимая кулаки»: режиссер Кира Коваленко о победе в Каннах, Балагове и Сокурове

Режиссер Кира Коваленко — о том, как снимать кино на языке, которого не знаешь

Forbes
Они это сделали: три реальные истории похудения Они это сделали: три реальные истории похудения

Пусть тебя вдохновят наши героини и их реальные истории похудения

Cosmopolitan
Не упал — значит, не было Не упал — значит, не было

«А было ли вообще событие, если на нем не упал ни один королевский гвардеец?»

Лиза
Назло зловредам: топ-7 лучших бесплатных антивирусов для Windows Назло зловредам: топ-7 лучших бесплатных антивирусов для Windows

Семь лучших бесплатных антивирусов, которые помогут защитить ваш компьютер

CHIP
Открыть в приложении