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

15 марта 44 года до н. э., Рим 15 марта 44 года до н. э., Рим

Гид путешественника во времени

Вокруг света
Свой на чужом рынке Свой на чужом рынке

Как подойти к запуску продукта на экспорт

Агроинвестор
Зри в корень: занимательные факты о «подземной» жизни растений Зри в корень: занимательные факты о «подземной» жизни растений

«Зри в корень». Этот совет применим и к жизни растений

Вокруг света
Оставь их в прошлом: любимые фильмы, которые не стоит пересматривать в 2021 году Оставь их в прошлом: любимые фильмы, которые не стоит пересматривать в 2021 году

В юности и трава зеленее, и кино интереснее

Cosmopolitan
Дмитрий Крымов: «Своими словами». Режиссерские экземпляры 9 спектаклей, записанные до того, как они были поставлены Дмитрий Крымов: «Своими словами». Режиссерские экземпляры 9 спектаклей, записанные до того, как они были поставлены

С чего начинается спектакль? Рассказывает Дмитрий Крымов в своей книге

СНОБ
Тайники с добычей помогли кочевым муравьям эффективнее разорять колонии других видов муравьев Тайники с добычей помогли кочевым муравьям эффективнее разорять колонии других видов муравьев

Особенности охоты кочевых муравьев

N+1
Науки творчества Науки творчества

Анна Толстова о внезапном расцвете сайенс-арта в России

Weekend
Барышня или крестьянка? Популярные советские актрисы с дворянскими корнями Барышня или крестьянка? Популярные советские актрисы с дворянскими корнями

Эти советские актрисы тщательно скрывали свое происхождение

Cosmopolitan
Тайна проклятого хлеба: как целый город за несколько дней сошел с ума Тайна проклятого хлеба: как целый город за несколько дней сошел с ума

На эту деревню обрушилось горе, которое французы называют «проклятым хлебом»

VOICE
Почему во рту появляется неприятный запах и как от него избавиться Почему во рту появляется неприятный запах и как от него избавиться

Галитоз, или запах изо рта — не приговор, избавиться от него можно

Популярная механика
Британский авианосец Queen Elisabeth: королева глобальной политики Британский авианосец Queen Elisabeth: королева глобальной политики

Авианосец Queen Elisabeth — самый большой в британской истории боевой корабль

Популярная механика
Ирина Апексимова. Живу как хочу Ирина Апексимова. Живу как хочу

Ирина Апексимова — о работе в театре и критике

Коллекция. Караван историй
Бабочка барония — живое ископаемое Бабочка барония — живое ископаемое

Живых представителей древних видов бабочек можно встретить и по сей день

Наука и жизнь
«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
Госприложение для защиты от спама в Китае «сдавало» властям читателей Bloomberg и других иностранных сайтов с новостями Госприложение для защиты от спама в Китае «сдавало» властям читателей Bloomberg и других иностранных сайтов с новостями

Через антифрод-приложения китайская полиция допрашивает граждан

VC.RU
«Ашрам Шамбалы». Часть 1: Как случайно создать самую известную в стране секту «Ашрам Шамбалы». Часть 1: Как случайно создать самую известную в стране секту

Как маленький кружок йоги превратился в религиозное движение

СНОБ
Квантовая суперпозиция помогла измерить тонкое расщепление в ионах Квантовая суперпозиция помогла измерить тонкое расщепление в ионах

Физики продемонстрировали применимость метода спектроскопии с преобразованием

N+1
Или Цезарь ‒ или ничто Или Цезарь ‒ или ничто

Цезарь и печенье с шоколадной крошкой: блюда, появившиеся случайным образом

Psychologies
«Мона Лиза и кровавая луна» — самый дикий фильм Венецианского фестиваля. Это как «Очень странные дела», только для взрослых «Мона Лиза и кровавая луна» — самый дикий фильм Венецианского фестиваля. Это как «Очень странные дела», только для взрослых

«Мона Лиза и кровавая луна» — готовьтесь ко встрече с ведьмами и гопниками

Esquire
«Как я спасся с 81 этажа Центра международной торговли». Прямая речь американца, выжившего в теракте 11 сентября «Как я спасся с 81 этажа Центра международной торговли». Прямая речь американца, выжившего в теракте 11 сентября

Утром 11 сентября Майкл был клиентщиком, через 2 часа его жизнь перевернулась

Esquire
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
Десятки миллионов продаж и минималистичный дизайн для родителей: почему переноска-«кенгуру» BabyBjörn стала популярной Десятки миллионов продаж и минималистичный дизайн для родителей: почему переноска-«кенгуру» BabyBjörn стала популярной

BabyBjörn осмыслила дизайн детских товаров так, чтобы они нравились родителям

VC.RU
Палеогенетики выяснили происхождение этрусков Палеогенетики выяснили происхождение этрусков

Этруски оказались генетически близки италикам

N+1
После отпуска: упражнения для тех, кто хочет быстро прийти в форму После отпуска: упражнения для тех, кто хочет быстро прийти в форму

Комплекс упражнений на все тело, чтобы восстановить форму

Cosmopolitan
Вечное движение: как ищут черное золото под толщей воды Вечное движение: как ищут черное золото под толщей воды

Здесь находится четверть российской нефти

Вокруг света
Почему ты сильно потеешь, даже если ничего не делаешь: 12 возможных причин Почему ты сильно потеешь, даже если ничего не делаешь: 12 возможных причин

Основные факторы, способные вызывать повышенное потоотделение у мужчин

Playboy
Как стать привлекательным работодателем для поколения Z Как стать привлекательным работодателем для поколения Z

Что привлекает молодых специалистов в работодателе?

Inc.
Экзоскелет в шкафу Экзоскелет в шкафу

Модель активного экзоскелета Auxilium

Популярная механика
«До „джуна“ еще нужно дорасти»: как IT-компании готовят себе кадры с помощью стажировок «До „джуна“ еще нужно дорасти»: как IT-компании готовят себе кадры с помощью стажировок

Представители IT-компаний рассказали, как они готовят кадры с помощью стажировок

Inc.
Очевидное невероятное: сквирт, струйный оргазм и женская простата Очевидное невероятное: сквирт, струйный оргазм и женская простата

Почему женский организм до сих пор до конца не изучен

СНОБ
Открыть в приложении