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

Исторический экскурс: как наши предки следили за гигиеной Исторический экскурс: как наши предки следили за гигиеной

Как изменялись средства личной женской гигиены?

Популярная механика
Спортсмены. Наши чемпионы Спортсмены. Наши чемпионы

Они привезли олимпийское золото несмотря на то, что выступали без флага

GQ
Парадокс обеспеченности. Как улучшить жизнь, не убивая планету Парадокс обеспеченности. Как улучшить жизнь, не убивая планету

Отрывок из книги “Мир после нас: Как не дать планете погибнуть”

Inc.
Предел функции Предел функции

Многоуровневый функциональный интерьер в духе конструктивистских ячеек XX века

AD
Стать частью природы. Что такое экотуризм и как он развивается в России Стать частью природы. Что такое экотуризм и как он развивается в России

О видах экологического туризма, его развитии и местах, где им можно заняться

СНОБ
Правила жизни Александра Овечкина Правила жизни Александра Овечкина

Правила жизни русского хоккеиста Александра Овечкина

Esquire
Когда папа стал мамой: необычные способы заботы о потомстве в животном мире Когда папа стал мамой: необычные способы заботы о потомстве в животном мире

Как заботятся о своём потомстве разные животные

Вокруг света
Секс, класс, деньги, чувства, и снова секс: каким получился третий роман автора Секс, класс, деньги, чувства, и снова секс: каким получился третий роман автора

Салли Руни опять написала роман, где красивые люди много занимаются сексом

Esquire
Пинг на орбите: как космический интернет сплотит, а затем разъединит человечество Пинг на орбите: как космический интернет сплотит, а затем разъединит человечество

Развитие коммуникаций – неизменный спутник прогресса

Популярная механика
«Вам предстоит колоссальная работа»: отрывок из книги «Страх и надежды» Эрика Ларсона «Вам предстоит колоссальная работа»: отрывок из книги «Страх и надежды» Эрика Ларсона

В 1940 году Адольф Гитлер вторгся в Голландию и Бельгию

Вокруг света
Создал ледовый комбайн в 50, а вместе с ним и рынок таких машин, который сразу захватил — это изобретатель Фрэнк Замбони Создал ледовый комбайн в 50, а вместе с ним и рынок таких машин, который сразу захватил — это изобретатель Фрэнк Замбони

Почему ледозаливочные машины других производителей по ошибке называют «Замбони»

VC.RU
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
Быть в балансе: простые правила питания для снижения сердечно-сосудистого риска Быть в балансе: простые правила питания для снижения сердечно-сосудистого риска

Здоровые пищевые привычки, которые снизят вес и нормализуют давление

Inc.
Отборные дети Отборные дети

Чем генетика может помочь родителям, мечтающим о здоровом потомстве

Vogue
Ава Гарднер: женщина, которая заставила плакать Фрэнка Синатру Ава Гарднер: женщина, которая заставила плакать Фрэнка Синатру

Ава Гарднер — величайшая актриса золотой эпохи Голливуда

Cosmopolitan
Трудно дышать и нет сил жить: что нужно знать про анемию Трудно дышать и нет сил жить: что нужно знать про анемию

Почему возникает анемия, как она проявляется и чем грозит организму?

Cosmopolitan
Сюрреалистические леденцы Сюрреалистические леденцы

Творчество Сальвадора Дали украшает прилавки практически всех магазинов

Вокруг света
Этот предприниматель учился бесплатно в 4 странах  ― как повторить его опыт Этот предприниматель учился бесплатно в 4 странах  ― как повторить его опыт

Образование предпринимателю не нужно, а если и нужно, то лучшее и дорогое?

Inc.
«Мне легче делать, а не говорить». Интервью с режиссером Кирой Коваленко «Мне легче делать, а не говорить». Интервью с режиссером Кирой Коваленко

Кира Коваленко — о ее происхождении и отношениях с Кавказом

Esquire
Сара Коннор, Круэлла, Чудо-женщина: эволюция 10 любимых женских образов в кино Сара Коннор, Круэлла, Чудо-женщина: эволюция 10 любимых женских образов в кино

10 культовых женских образов из фильмов, которые менялись со временем

Cosmopolitan
«Люди врут, чтобы понравиться»: как сценарист Майкл Левитон перестал говорить правду «Люди врут, чтобы понравиться»: как сценарист Майкл Левитон перестал говорить правду

Сценарист Майкл Левитон: почему правда — не лучший помощник

Forbes
Мертвый и сексуальный: топ горячих киноактеров, которых уже нет с нами Мертвый и сексуальный: топ горячих киноактеров, которых уже нет с нами

Любуемся теми, кого давно уже нет в живых

Cosmopolitan
Топ-5 самых сексуальных злодеек в видеоиграх Топ-5 самых сексуальных злодеек в видеоиграх

Рассказываем об антагонистках, которым хочется сдаться в плен

Maxim
Вокруг окна Вокруг окна

Ремонт и отделка оконных откосов

Идеи Вашего Дома
Как «богатый клоун» Моргенштерн окончательно порвал шоу-биз шутовской свадьбой Как «богатый клоун» Моргенштерн окончательно порвал шоу-биз шутовской свадьбой

За эпатажем и скандальностью Моргенштерна скрывается что-то большее

Cosmopolitan
8 автомобильных брендов, которым срочно требуется новый дизайнер 8 автомобильных брендов, которым срочно требуется новый дизайнер

Художник, сделайте этим автомобилям красиво! Некрасивые бренды

Maxim
Онлайн vs офлайн: перестанем ли мы покупать в магазинах? Отвечает гендиректор Inventive Retail Group Тихон Смыков Онлайн vs офлайн: перестанем ли мы покупать в магазинах? Отвечает гендиректор Inventive Retail Group Тихон Смыков

Перестанем ли мы покупать в магазинах?

Esquire
Прощай, Бебель! Каким мы запомним Жан-Поля Бельмондо Прощай, Бебель! Каким мы запомним Жан-Поля Бельмондо

Жан-Поль Бельмондо был одним из последних актеров французской новой волны

Cosmopolitan
Скромность не украшает. Тест-драйв Audi RS Q8 Скромность не украшает. Тест-драйв Audi RS Q8

Что вы получите, купив Audi RS Q8

РБК
Алла Демидова. Несокрушимая и легендарная. В новом фильме Любови Аркус «Кто тебя победил никто» Алла Демидова. Несокрушимая и легендарная. В новом фильме Любови Аркус «Кто тебя победил никто»

«Кто тебя победил никто» — этого фильма не должно было быть

СНОБ
Открыть в приложении