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

6 конспирологических теорий о катастрофах 11 сентября 2001 года 6 конспирологических теорий о катастрофах 11 сентября 2001 года

Мифы вокруг теракта 11 сентября в США

Популярная механика
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
Слышат ли нас растения Слышат ли нас растения

Полезны ли разговоры с растениями?

Популярная механика
Почему расстаться трудно? Психолог — о созависимых отношениях Почему расстаться трудно? Психолог — о созависимых отношениях

Как отличить просто несчастливый союз от созависимых отношений?

РБК
Дом, в котором... Дом, в котором...

«Белая школа» — выставка Кати Рожковой на Полотняном заводе в усадьбе Щепочкина

Seasons of life
Сколько на чай оставлять заправщику на АЗС и оставлять ли вообще. Отвечаем на три главных вопроса Сколько на чай оставлять заправщику на АЗС и оставлять ли вообще. Отвечаем на три главных вопроса

Как не выглядеть жлобом на АЗС и не разориться одновременно

Maxim
Актриса Лиза Янковская — о фамилии, мультивселенной и съемках «Пропавшей» Актриса Лиза Янковская — о фамилии, мультивселенной и съемках «Пропавшей»

Лиза Янковская не любит зум и самопробы, но обожает возможность не спешить

РБК
Лучшее — детям Лучшее — детям

Кирилл Истомин оформил квартиру для своих друзей и их троих сыновей

AD
Илья Сачков, Group-IB: после работы в России вести бизнес в любой другой стране легко Илья Сачков, Group-IB: после работы в России вести бизнес в любой другой стране легко

Интервью: как изменился бизнес на информационной безопасности в мире

Inc.
4 веские причины, почему каждый бизнесмен должен освоить тайм-менеджмент 4 веские причины, почему каждый бизнесмен должен освоить тайм-менеджмент

Ты удивишься, насколько может помочь навык управления временем

Playboy
Может ли человек почувствовать запах без носа Может ли человек почувствовать запах без носа

Что станет с обонянием, если человек вдруг лишится носа?

Популярная механика
Медитация для начинающих: как избавиться от головной боли и снизить стресс Медитация для начинающих: как избавиться от головной боли и снизить стресс

Как избавиться от головной боли с помощью медитации

Cosmopolitan
В Италии нашли самую большую коллекцию костяных орудий возрастом 400 тысяч лет В Италии нашли самую большую коллекцию костяных орудий возрастом 400 тысяч лет

Древние люди систематически обрабатывали останки слонов

N+1
«День, когда я решила уволиться» «День, когда я решила уволиться»

Ответственность — прекрасное качества, но что, если оно слишком давят?

Psychologies
Существует ли игровая зависимость и как часто она встречается Существует ли игровая зависимость и как часто она встречается

Как часто встречается игровая зависимость, и лечат ли ее?

Популярная механика
Предсказанный ранее короткоживущий комплекс обнаружили в ионизированной воде Предсказанный ранее короткоживущий комплекс обнаружили в ионизированной воде

Вода играет ключевую роль в жизни человека, поэтому ее изучают особенно активно

N+1
Не просто лишний вес: как ожирение нас убивает – рассказывает врач Не просто лишний вес: как ожирение нас убивает – рассказывает врач

Как возникает ожирение и что будет, если не лечить эту болезнь?

Cosmopolitan
«Я не хочу, чтобы родители принимали участие в жизни моего сына» «Я не хочу, чтобы родители принимали участие в жизни моего сына»

Почему порой нахождение внука рядом бабушкой и дедушкой нежелательно

Psychologies
Волшебный фонарь Волшебный фонарь

Варвара Мельникова — о жизни большого экрана в мире пандемии и урбанистике

Vogue
Мужчина и его автомобиль: Филипп Ильин-Адаев и его Alpina B12 1999 года Мужчина и его автомобиль: Филипп Ильин-Адаев и его Alpina B12 1999 года

Предприниматель Филипп Ильин-Адаев — о жемчужинах автомобильной коллекции

Esquire
Эволюция женской груди: от палеолитической Венеры до наших дней Эволюция женской груди: от палеолитической Венеры до наших дней

Предлагаем тебе взглянуть на историю человечества с этого ракурса!

Maxim
В Африке зафиксировали распространение устойчивого к лекарствам малярийного плазмодия В Африке зафиксировали распространение устойчивого к лекарствам малярийного плазмодия

Малярийный плазмодий встречается в Азии, но в Африке появился независимо

N+1
Археологи обнаружили 36 погребений ацтеков в городе Тлателолько Археологи обнаружили 36 погребений ацтеков в городе Тлателолько

Находки свидетельствуют о повторном заселении города после испанского завоевания

N+1
В Google назвали 9 моделей поведения эффективного лидера В Google назвали 9 моделей поведения эффективного лидера

Что должны делать по-настоящему эффективные люди

Inc.
OMAD-диета: что надо знать об экстремальном варианте интервального голодания OMAD-диета: что надо знать об экстремальном варианте интервального голодания

Что такое OMAD-диета, на которой нужно есть всего один раз в день

Cosmopolitan
Бумажная волокита Бумажная волокита

Полезные идеи по обмену, сбору и переработке ненужных книг, газет и журналов

Лиза
Трудоголик, зануда и ревнивец: всё о знаках зодиака стихии Земли Трудоголик, зануда и ревнивец: всё о знаках зодиака стихии Земли

О знаках стихии Земли

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
Ян Гэ и Милош Бикович: зарубежные актеры, ставшие звездами российского кино Ян Гэ и Милош Бикович: зарубежные актеры, ставшие звездами российского кино

Кто из иностранных артистов завоевал популярность в России?

Cosmopolitan
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
Открыть в приложении