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

Как модель для сборки Как модель для сборки

Шварцвальд: времена меняются, но не все в мире спешит меняться вместе с ними

Вокруг света
Срок годности: что такое AGE-продукты и почему их употребление стоит сократить Срок годности: что такое AGE-продукты и почему их употребление стоит сократить

Какие риски для здоровья и внешности скрываются за AGE-маркировкой?

Esquire
11 правил сильной и независимой женщины 11 правил сильной и независимой женщины

11 принципов эмоциональной независимости

Cosmopolitan
Ирина Апексимова. Живу как хочу Ирина Апексимова. Живу как хочу

Ирина Апексимова — о работе в театре и критике

Коллекция. Караван историй
Подросшие дочери ткачиковых воробьев помогли подтвердить гипотезу альтруистической подстраховки Подросшие дочери ткачиковых воробьев помогли подтвердить гипотезу альтруистической подстраховки

Помощники-самки помогают взрослым парам вырастить птенцов в засушливые годы

N+1
Как рыба в воде Как рыба в воде

Как этот юноша с горящим взором стал главной кинозвездой, прямо здесь и сейчас

Glamour
Мой ребенок меня бьет Мой ребенок меня бьет

Что лежит в основе физической агрессии маленького ребенка

Лиза
Отстань! Не мешай! Отвали, дед! Отстань! Не мешай! Отвали, дед!

Сегодня я задал себе вопрос: «Кто такой взрослый человек?»

ПУСК
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
Ситуация рода Ситуация рода

Психолог Ирина Млодик о новом отношении к зрелости и ее возможностях

Seasons of life
Дистанционная работа Дистанционная работа

Что умеют современные умные розетки

Идеи Вашего Дома
10 правил для первого секса с новым партнером 10 правил для первого секса с новым партнером

Первый секс с новым любовником всегда волнителен

Psychologies
Не делай так! Примеры ужасного автозагара - учимся на ошибках звезд Не делай так! Примеры ужасного автозагара - учимся на ошибках звезд

Эти звезды перестарались с автозагаром

Cosmopolitan
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
У вас такие странные взрослые — с ними даже можно разговаривать У вас такие странные взрослые — с ними даже можно разговаривать

Наталья Вираховская о плейбэк-театре в «Большой Перемене»

ПУСК
Отдать нельзя пользоваться: как вернуть вещи в магазин, рассказывает юрист Отдать нельзя пользоваться: как вернуть вещи в магазин, рассказывает юрист

Как вернуть купленную вещь обратно в магазин?

Cosmopolitan
В новом цвете В новом цвете

5 простых способов креативного окрашивания стен

Лиза
Накопить денег, рассчитать платёж по кредиту и возможный доход: полезные формулы для личных финансов Накопить денег, рассчитать платёж по кредиту и возможный доход: полезные формулы для личных финансов

Формулы для личных финансов: теория, примеры и шаблон для работы

VC.RU
Вокруг гномы и карлики: психическое заболевание с очень странными галлюцинациями Вокруг гномы и карлики: психическое заболевание с очень странными галлюцинациями

Знаешь историю про Гулливера? Возможно, Джонатан Свифт её не выдумал

Cosmopolitan
Мила Сивацкая. Метод проб и ошибок Мила Сивацкая. Метод проб и ошибок

Мила Сивацкая: если бы меня взяли на большую роль "с улицы" — я бы не сыграла

Коллекция. Караван историй
Как выбрать пиджак, который хорошо сядет на фигуре, — главные правила и советы Как выбрать пиджак, который хорошо сядет на фигуре, — главные правила и советы

На какие нюансы обратить внимание, чтобы найти идеальную посадку пиджака

Cosmopolitan
Татьяна Борзых: Татьяна Борзых:

Ваня Бортник — это был человек редкой породы и верности

Коллекция. Караван историй
6 причин, почему Mazda 6 — самая важная модель бренда 6 причин, почему Mazda 6 — самая важная модель бренда

Что такого особенно в Mazda 6?

Maxim
Невечный покой Невечный покой

Истории людей, переживших клиническую смерть

Psychologies
«Я сделала силиконовые губы?»: Алла Довлатова разоблачила журналистку «Я сделала силиконовые губы?»: Алла Довлатова разоблачила журналистку

Алла Довлатова высказала свое отношение к увеличению губ

Cosmopolitan
Райские кущи Райские кущи

Дизайнеры оформили клубный дом гольф-клуба “Раево” в традициях старой Америки

AD
5 героических фактов об истребителе Ла-5 5 героических фактов об истребителе Ла-5

Ла-5: Шедевр или не совсем?

Maxim
Пищевая интуиция Пищевая интуиция

Можно ли положиться на свою интуицию при выборе еды

Лиза
Холодные молекулы в трехмерном газе защитили с помощью электрического поля Холодные молекулы в трехмерном газе защитили с помощью электрического поля

Изучение квантовых газов открывает дорогу к наблюдению необычных эффектов

N+1
С кого был списан образ Джеймса Гандольфини в «Клане Сопрано» С кого был списан образ Джеймса Гандольфини в «Клане Сопрано»

Прообразом семьи Сопрано стал итальянский клан Декавальканте

GQ
Открыть в приложении