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

Почему исчезла цивилизация индейцев Майя Почему исчезла цивилизация индейцев Майя

Почему процветающая цивилизация Майя рухнула

Популярная механика
Инопланетяне в пустыне: каким получился десятый сезон Инопланетяне в пустыне: каким получился десятый сезон

Каким получился десятый сезон "Американской истории ужасов"

Esquire
Неудачные свидания: мужчины о том, что помешало им продолжить отношения Неудачные свидания: мужчины о том, что помешало им продолжить отношения

Истории свиданий, которые перечеркнули надежду на будущее отношений

Psychologies
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
7 автомобилей с двигателями от... танков! 7 автомобилей с двигателями от... танков!

Автомобили с танковыми двигателями

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
Из оптически левитирующих частиц предложили сделать гироскоп Из оптически левитирующих частиц предложили сделать гироскоп

Физики изучили поведение левитирующей в оптическом пинцете микрочастицы

N+1
Одомашнивание: как человек приручит микромир Одомашнивание: как человек приручит микромир

До конца десятилетия произойдет очередная революция: человек приручит микромир

Популярная механика
«Петровы в гриппе» — фильм, который обретает новый смысл теперь, когда Россия закончила выступление и в Венеции, и в Каннах «Петровы в гриппе» — фильм, который обретает новый смысл теперь, когда Россия закончила выступление и в Венеции, и в Каннах

«Петровы в гриппе» — фильм, от которого бросает то в холод, то в жар

Esquire
На пути к прогрессу На пути к прогрессу

Стоит ли отменять запрет на выращивание ГМ-культур в России

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

Дебютный рассказ Алексея Шуплякова «Оптицевание»

СНОБ
Давай сделаем это тихо! Климова и другие звезды, которые долго скрывали развод Давай сделаем это тихо! Климова и другие звезды, которые долго скрывали развод

Звезды, которые не сразу решились рассказать о смене своего семейного статуса.

VOICE
В бирманском янтаре обнаружили паучиху с яйцевым коконом и паучат В бирманском янтаре обнаружили паучиху с яйцевым коконом и паучат

Ученые обнаружили древнейшее свидетельство заботы пауков о потомстве

N+1
Больше света: 16 необычных храмов Больше света: 16 необычных храмов

Как католики стремятся идти в ногу со временем

Вокруг света
Сколько стоит пить? Сколько стоит пить?

Каким будет место алкоголя в “новой нормальности”?

Men’s Health
Слышат ли нас растения Слышат ли нас растения

Полезны ли разговоры с растениями?

Популярная механика
Дмитрий Бертман: Дмитрий Бертман:

Режиссер Дмитрий Бертман — о работе в театре, "Геликон-опере" и спектаклях

Караван историй
Хороший партнер или тайный нарцисс: 10 главных отличий Хороший партнер или тайный нарцисс: 10 главных отличий

Как можно отличить хорошего партнера и нарцисса: главные признаки

Psychologies
Как научить ребенка ценить вещи Как научить ребенка ценить вещи

Что делать, если твой ребенок не знает цену вещам

Maxim
Лайхаки для занятий бегом от Риз Уизерспун и Гордона Рамзи Лайхаки для занятий бегом от Риз Уизерспун и Гордона Рамзи

Советы известных людей о том, как они начали бегать и почему не бросили

РБК
Конец фильма: Боузмен, Хьюстон, Ли и другие актеры, не дожившие до премьеры Конец фильма: Боузмен, Хьюстон, Ли и другие актеры, не дожившие до премьеры

Несколько актеров, которые не смогли увидеть результат своих трудов

Cosmopolitan
Довлатов как он был. Фрагмент книги «Сергей Довлатов. Фотографии. Очерки и воспоминания» Марка Сермана Довлатов как он был. Фрагмент книги «Сергей Довлатов. Фотографии. Очерки и воспоминания» Марка Сермана

Фотографии и тексты Марка Сермана о Сергее Довлатове

Esquire
Носатый полоз Носатый полоз

Зачем змее такой нос?

Weekend
Мамонт, идентичный натуральному. Получится ли у ученых восстановить доисторическое животное Мамонт, идентичный натуральному. Получится ли у ученых восстановить доисторическое животное

В США стартовал очередной проект восстановления шерстистого мамонта

СНОБ
Аглая Епанчина Аглая Епанчина

Психотерапевт размышляет о характере персонажа из романа «Идиот»

Psychologies
Основатель SETTERS Евгений Давыдов – о русском креативе, сложностях и рекламном бизнесе Основатель SETTERS Евгений Давыдов – о русском креативе, сложностях и рекламном бизнесе

Основатель SETTERS — о рынке труда и высшем образовании

GQ
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
Замедляет электросамокаты, если водитель мешает пешеходам: сервис Link пытается изменить «дурную репутацию» кикшерингов Замедляет электросамокаты, если водитель мешает пешеходам: сервис Link пытается изменить «дурную репутацию» кикшерингов

Зачем компания Link внедрила в электросамокаты ИИ-систему

VC.RU
Открыть в приложении