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

Противолодочная война Противолодочная война

Подводная охота вернулась

Популярная механика
Королева пустыни Королева пустыни

Ребекка Фергюсон, похоже, сорвала джекпот!

Grazia
5 «секретных» фраз, которые действуют на девушек лучше афродизиаков 5 «секретных» фраз, которые действуют на девушек лучше афродизиаков

Делимся с тобой сакральными знаниями о девушках

Playboy
Родина воды Родина воды

В названии Твери слышен плеск

Seasons of life
Как скрыть шрамы, родинки и раны: остроумные тату реальных людей Как скрыть шрамы, родинки и раны: остроумные тату реальных людей

Тату, которые не просто скрыли несовершенства, а превратили их в изюминку

Cosmopolitan
Нейросеть помогла обмануть систему распознавания лиц незаметным макияжем Нейросеть помогла обмануть систему распознавания лиц незаметным макияжем

Новый метод обмана систем распознавания лиц

N+1
Жених подарил невесте поддельное обручальное кольцо и попался на обмане Жених подарил невесте поддельное обручальное кольцо и попался на обмане

Герой этой истории скрыл, что купил невесте поддельное обручальное кольцо

Psychologies
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
Любовь побеждает всё: мужчина женился на любимой женщине после 35 лет разлуки Любовь побеждает всё: мужчина женился на любимой женщине после 35 лет разлуки

История любви, преодолевшая путь длиной почти в четыре десятилетия.

Cosmopolitan
Ругаем и читаем. На что мы надеемся, открывая очередную книгу Пелевина Transhumanism Inc. Ругаем и читаем. На что мы надеемся, открывая очередную книгу Пелевина Transhumanism Inc.

Бесконечное ожидание «лучшего Пелевина» — это наши надежды и иллюзии 1990-х

СНОБ
История особенной любви Эвелины Бледанс и Александра Семина История особенной любви Эвелины Бледанс и Александра Семина

С чего начиналась их история Эвелины Бледанс и Александра Семина

VOICE
5 последствий сидячей работы 5 последствий сидячей работы

Правда, что многие проблемы со здоровьем провоцирует долгая сидячая работа?

Здоровье
Алкогений: Стивен Кинг Алкогений: Стивен Кинг

Стивен Кинг провел пятнадцать лет своей жизни в режиме чудовища

Maxim
Улица как место для современного искусства. Куратор Николай Палажченко о стрит-арте, вандализме и дворниках Улица как место для современного искусства. Куратор Николай Палажченко о стрит-арте, вандализме и дворниках

Во дворе Музея Москвы появилась новая работа художника Романа Ермакова

СНОБ
«Раньше было лучше»: картина Вермеера после реставрации вызвала споры в Сети «Раньше было лучше»: картина Вермеера после реставрации вызвала споры в Сети

Почему реставрации не всегда приходятся по вкусу ценителям искусства

Psychologies
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
Сколько приносит глэмпинг под Москвой и как он устроен: пример «Под небом» — его строили с MVP и сразу делали «как надо» Сколько приносит глэмпинг под Москвой и как он устроен: пример «Под небом» — его строили с MVP и сразу делали «как надо»

Что такое глэмпинг и сколько денег он приносит?

VC.RU
Как помочь родителям, потерявшим ребенка во время беременности Как помочь родителям, потерявшим ребенка во время беременности

Как помочь пережить горе тем, кто столкнулся с перинатальной потерей

Psychologies
Ивлеева Ивлеева

Блогерка Настя Ивлеева — зачем превратила себя в NFT-лот и про новое шоу

Собака.ru
Выращивает салат в автоматах и хочет спасти мир: как немецкая Infarm привлекла $315 млн на «рукколу для богатых» Выращивает салат в автоматах и хочет спасти мир: как немецкая Infarm привлекла $315 млн на «рукколу для богатых»

Как работают вертикальные фермы?

VC.RU
Ветер перемен Ветер перемен

Современная история о морских путешествиях в интерьере московской квартиры

SALON-Interior
Цикорий: польза, противопоказания, комментарий эксперта Цикорий: польза, противопоказания, комментарий эксперта

Цикорий может быть полезен для здоровья сердца, нормализации пищеварения и веса

РБК
Эффект шепчущей галереи помог создать активную акустическую среду Эффект шепчущей галереи помог создать активную акустическую среду

Физики построили резонатор на модах шепчущей галереи

N+1
Страдающие от инбридинга какапо избежали ускоренного накопления вредных мутаций Страдающие от инбридинга какапо избежали ускоренного накопления вредных мутаций

Как птицам какопо помог очищающий отбор

N+1
Слишком свободная женщина Востока: как певица Liraz разозлила иранские спецслужбы Слишком свободная женщина Востока: как певица Liraz разозлила иранские спецслужбы

Как певица Liraz по-шпионски записала альбом с иранскими музыкантами

Forbes
Дожить до золотой свадьбы: 4 главных правила создания долгих отношений Дожить до золотой свадьбы: 4 главных правила создания долгих отношений

Если вы знаете, чего ждать после медового месяца, то это поможет сохранять союз

Cosmopolitan
«Теряюсь, когда на меня кричат»: как защитить себя в стрессовых ситуациях? «Теряюсь, когда на меня кричат»: как защитить себя в стрессовых ситуациях?

Почему мы приходим в замешательство и не можем себя защитить?

Psychologies
Чулпан Хаматова: «Роли злодеев – это всегда хулиганство и эксперимент. Мне было очень весело» Чулпан Хаматова: «Роли злодеев – это всегда хулиганство и эксперимент. Мне было очень весело»

Чулпан Хаматова рассказала, чем ее рассмешила книга «Петровы в гриппе»

Grazia
Как стать привлекательным работодателем для поколения Z Как стать привлекательным работодателем для поколения Z

Что привлекает молодых специалистов в работодателе?

Inc.
Экс-сотрудница крематория рассказала, что бывает с имплантами при кремации Экс-сотрудница крематория рассказала, что бывает с имплантами при кремации

Что ждёт имплантаты и другие человеческие «запчасти» после смерти их владельцев

Cosmopolitan
Открыть в приложении