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 44 году до н. э. В 44 году до н. э.

В Риме убили Юлия Цезаря

Вокруг света
Как пользоваться хайлайтером для лица: пошаговая инструкция Как пользоваться хайлайтером для лица: пошаговая инструкция

Как правильно наносить хайлайтер на лицо?

VOICE
NILETTO NILETTO

NILETTO о музыке, интервью и усталости

ЖАРА Magazine
Маленький гигант большого фронта. История немецкой самоходки «Хетцер» Маленький гигант большого фронта. История немецкой самоходки «Хетцер»

«Хетцер» — одна из самых грозных немецких самоходок эпохи

Maxim
Пищевая интуиция Пищевая интуиция

Можно ли положиться на свою интуицию при выборе еды

Лиза
«Ребенок способный, но невнимательный»: как исправить ситуацию «Ребенок способный, но невнимательный»: как исправить ситуацию

В чем причины невнимательности ребенка и как ему помочь?

Psychologies
Питьевая диета: почему это не стоит пробовать Питьевая диета: почему это не стоит пробовать

К каким последствиям может привести отказ от твердой пищи

РБК
Археологи описали египетских фаянсовых скарабеев из детских сарматских погребений Археологи описали египетских фаянсовых скарабеев из детских сарматских погребений

Археологи исследовали египетских фаянсовых скарабеев

N+1
«Я зря передала свою вагину!» Женщина рассказала о личном опыте лабиопластики «Я зря передала свою вагину!» Женщина рассказала о личном опыте лабиопластики

Девушка сделала лабиопластику, но сразу пожалела об этом и даже написала книгу

Cosmopolitan
Пережил 70 бесполезных операций: история самой масштабной трансплантации лица Пережил 70 бесполезных операций: история самой масштабной трансплантации лица

Жизнь Патрика Хардисона, американского пожарного, изменилась в один миг

Cosmopolitan
Странное поведение истребителя F-35: почему пилотам становится плохо? Странное поведение истребителя F-35: почему пилотам становится плохо?

Необъяснимые случаи ухудшения самочувствия пилотов в ходе испытаний F-35

Популярная механика
Грегор Макгрегор: аферист, который придумал собственную страну и стал мультимиллионером после продажи ее земель Грегор Макгрегор: аферист, который придумал собственную страну и стал мультимиллионером после продажи ее земель

Грегор Макгрегор убедил сотни людей в том, что он правитель райской страны

Популярная механика
«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
Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
Музыкальная станция Akai MPC — «коробочка, похожая на Nintendo», которая заменила собой музыкальную студию Музыкальная станция Akai MPC — «коробочка, похожая на Nintendo», которая заменила собой музыкальную студию

Как благодаря Akai Music Production появились музыканты-продюсеры

VC.RU
Обыкновенный садизм Обыкновенный садизм

Михаил Трофименков о сочувствии к палачам в «Холодном расчете» Пола Шрейдера

Weekend
7 самых обязательных фильмов с Биллом Мюрреем, не считая «Дня Сурка» 7 самых обязательных фильмов с Биллом Мюрреем, не считая «Дня Сурка»

Мало кем смотренные фильмы с Биллом Мюрреем

Maxim
Откуда взялись знаменитые короткие мелодии и звуки из заставок Netflix, HBO, Windows, Apple и фильмов Откуда взялись знаменитые короткие мелодии и звуки из заставок Netflix, HBO, Windows, Apple и фильмов

История создания трехсекундного звука бывает интереснее создания песни

Maxim
Как секта становится фундаментом идеального города Как секта становится фундаментом идеального города

Григорий Ревзин о Джеймсе Силке Бэкингеме и проекте города Виктория

Weekend
Растениеводство под защитой инноваций Растениеводство под защитой инноваций

На что делают акцент производители агрохимии, разрабатывая новые продукты

Агроинвестор
Филология протеста Филология протеста

Татьяна Алешичева о «Кафедре», университетской комедии о новой этике

Weekend
Самые мрачные здания и сооружения со всего мира (инфернальная подборка) Самые мрачные здания и сооружения со всего мира (инфернальная подборка)

Самые жуткие представители архитектуры

Maxim
Зачем российским учёным виртуальный ядерный реактор Зачем российским учёным виртуальный ядерный реактор

НИЯУ МИФИ разрабатывают комплексный цифровой двойник учебного ядерного реактора

Популярная механика
«Люди думают, что у тебя какая-то особенная жизнь»: интервью с «мамой Стифлера» «Люди думают, что у тебя какая-то особенная жизнь»: интервью с «мамой Стифлера»

Эксклюзивное интервью с Дженнифер Кулидж, знакомую вам по роли Мамы Стифлера

Cosmopolitan
Невечный покой Невечный покой

Истории людей, переживших клиническую смерть

Psychologies
Археологи нашли на Ямале останки людей с заведенными за таз руками и сжатыми кулаками Археологи нашли на Ямале останки людей с заведенными за таз руками и сжатыми кулаками

Ученые нашли останки двух людей с заведенными за таз руками и сжатыми кулаками

N+1
Фильмы, которые вернут вам внутренний покой Фильмы, которые вернут вам внутренний покой

Кинокартины для восстановления гармонии

Psychologies
Пропил этил Пропил этил

История встречи, любви и расставания мужчины и стакана

Men’s Health
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
6 неожиданных фактов о Volvo S60 6 неожиданных фактов о Volvo S60

Volvo S60: революционер, рекордсмен, путешественник

Maxim
Открыть в приложении