Что происходит: квантовые компьютеры

Квантовые технологии. Модуль 4

• как и из чего создают составные элементы квантовых компьютеров — кубиты;
• какие преимущества и недостатки есть у разных типов квантовых систем;
• как устроены и как создают самый распространенный тип кубитов — сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона;
• о конкретных попытках создания квантовых вычислительных устройств;
• о путях преодоления ошибок в квантовых устройствах.

Элементы квантовых компьютеров — кубиты — могут представлять собой самые разные объекты: холодные атомы, фотоны, дефекты в кристаллической решетке, но самым популярным и перспективным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Их использует для своих симуляторов компания D-Wave, на них основаны процессоры IBM и Intel.

Однако пока существующие квантовые вычислители — либо симуляторы, способные решать только одну задачу, либо экспериментальные компьютеры с небольшим количеством кубитов. Ни те, ни другие еще не способны показать результаты, однозначно свидетельствующие о том, что удалось достичь квантового превосходства, — рубежа, где квантовые компьютеры покажут, что им под силу задачи, которые либо вовсе недоступны для обычных компьютеров, либо требуют значительно больших ресурсов. Главное препятствие — декогеренция, потеря кубитами квантового состояния, и неизбежные вследствие этого ошибки.

Поговорим о кубитах

Одной из основных областей, представляющих интерес в рамках квантовой технологии, являются квантовые вычисления. В отличие от классического компьютера, который выполняет вычисления по одному за раз, квантовый компьютер может выполнять множество вычислений одновременно.

Основной единицей информации в квантовых вычислениях является «бит», который представляет одно из двух двоичных значений – либо ноль, либо единицу.

По сути, кубит – это гибрид слов «квантовый» и «бит». В современных компьютерах и смартфонах биты составляют наименьшую единицу хранения информации. Каждый из них при этом либо содержит значение 0, либо значение один. Но в кубите битом является квантовая частица. И это меняет все.

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе.

Кубит обладает гибкостью для представления либо нуля, либо одного, либо обоих одновременно. Эта способность объекта существовать более чем в одной форме одновременно называется суперпозицией. Однако когда несколько кубитов в компьютере взаимодействуют друг с другом, ситуация усложняется, так как возникает концепция запутанности: множество частиц в квантовой системе связаны и влияют друг на друга.

Разработка квантовых компьютеров позволит добиться научного прорыва в области биологии, химии, медицины и транспорта.

Например, если один кубит представляет ноль, другой кубит, связанный с ним, примет значение единицы, и наоборот – это делает измерение каждого кубита зависимым от другого. Поскольку базовые информационные блоки квантовых компьютеров могут представлять все возможности одновременно, теоретически они намного быстрее и мощнее обычных компьютеров, к которым мы привыкли.

Визуализация кубитов и преобразований с помощью сферы Блоха

Кубиты можно также представить в $3$D, используя сферу Блоха. Сфера Блоха является одним из методов описание однокубитного квантового состояния (которое является двухмерным комплексным вектором) в виде трехмерного вещественнозначного вектора. Это важно, поскольку метод позволяет визуализировать однокубитные состояния и, таким образом, продолжать рассуждения, что может оказать неоценимую помощь в понимании многокубитных состояний (для которых, к сожалению, сфера Блоха не подходит). Сферу Блоха можно представить следующим образом:

Стрелки на этой схеме показывают направление, в котором указывает вектор квантового состояния, и каждое изменение стрелки можно представить как поворот относительно одной из основных осей. Рассмотрение квантовых вычислений как последовательности поворотов является многообещающей догадкой, однако эту догадку сложно применить в разработке и описании алгоритмов. Q# упрощает эту проблему за счет создания языка для описания таких поворотов.

Как устроен квантовый компьютер: принцип работы

После появления понятия квантового компьютера десятки ученых всего мира пытались создать его физическое воплощение. Главный вопрос: что может использоваться в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Петер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали схему использования специальной ионной ловушки как основы для квантового компьютера. Именно в этот момент стало ясно, что научная теория и практика встретились лицом к лицу.

Физические «воплощения» кубитов — это не только ионы. В этих целях ученые пытались и пытаются использовать электроны, ядра атомов, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Совсем недавно был разработан оптический квантовый микрочип, на основе которого теоретически может быть создан оптический компьютер, использующий манипуляцию с квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы: срок жизни кубитов и их количество в системе.

Вывести квантовую систему из состояния суперпозиции очень легко. Это под силу даже единственному фотону, столкнувшемуся с кубитом. Именно поэтому вопрос, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко поднимался учеными — сложно вообразить себе квантовые вычисления в биологической среде. Кубиты, даже находящиеся в специально созданных условиях (вакуум, охлаждение до сверхнизких температур), разрушаются за доли секунды. Присутствие рядом других кубитов дополнительно сокращает этот срок. А теперь представьте, что вам необходима работающая структура из десятков, а то и сотен таких капризных частиц. Нетривиальная задача, не правда ли?

Отдельная тема — программирование на квантовом компьютере. Программист в данном случае имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит из элементов обычного и квантового типа — чтобы была возможность вводить данные и интерпретировать результаты. В итоге в одной программе комбинируются квантовый и классический коды. Существуют разные языки программирования для квантовых систем (например QCL, Quantum computing language), но в настоящее время они выполняют не практическую, а скорее исследовательскую задачу. С их помощью исследователям проще понимать работу квантовых вычислений.

Модель гипотетического квантового компьютера от IBM (CeBIT 2018. Ганновер, Германия)

Квантовый компьютер внутри

Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество.

И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.

И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.

Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной!

Все что вы хотели знать о кубитах, но боялись спросить

Квантовые вычисления — непростая тема. С просьбой объяснить, что это такое, мы обратились к ученому, который создает квантовые процессоры. Завлабораторией сверхпроводящих метаматериалов МИСиСа, руководитель группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре, профессор Алексей Устинов помог разобраться в том, какова материальная основа единицы квантовой информации — кубита — и как действуют процессоры на базе сверхпроводников.

СЛОВАРЬ

Кубит — квантовый разряд, наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два состояния — 0 и 1, но при этом может находиться в суперпозиции — может принимать одновременно оба значения.

Фотон — фундаментальная частица, квант электромагнитного поля. В виде фотонов испускается и поглощается электромагнитное излучение. Фотон имеет свойства как частицы, так и волны. У него нет ни электрического заряда, ни массы.

Физически кубит на базе сверхпроводников представляет собой пластинку из кремния, на которую нанесены две тонкие, меньше микрона, пленки алюминия. Между ними — диэлектрик из окиси алюминия. В этом месте находится джозефсоновский переход, или контакт, в котором происходит эффект Джозефсона: протекание сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Для удобства пластинка из кремния закрепляется на медной подложке.

Почему алюминий

Он становится сверхпроводником при температуре 1,2 К. В сверхпроводнике электрический ток течет без сопротивления — оно равно нулю.

Сверхпроводник по своим физическим свойствам становится системой, минимальная энергия которой хорошо определена, а следующее возможное значение энергии кольца с джозефсоновским переходом отделяется небольшой щелью. Такая система фактически имеет два уровня энергии. Это и есть материальная основа кубита — квантовая система с двумя уровнями энергии, которая нужна для того, чтобы делать вычисления.

Сколько живет кубит

Чтобы проводить вычисления, необходимо управлять переходами с минимального уровня энергии на следующий и удерживать систему на этом уровне как можно дольше.

В отличие от обычных компьютеров, для сверхпроводниковых кубитов потеря кванта энергии — это потеря информации, то есть конец жизни кубита как единицы информации. Квантовая система теряет энергию легко: она улетучивается в пространство в виде фотонов или переходит в тепло — сверхпроводник нагревается, а энергия теряется.

Удержать кубит в возбужденном состоянии — большая технологическая и пока до конца не решенная проблема. В первых экспериментах в Японии в 1999 году кубит жил (удерживал энергию на верхнем уровне) лишь наносекунду. Благодаря исследованиям физиков всего мира за последние годы произошел экспоненциальный рост срока жизни кубитов. Сейчас они живут несколько десятков, иногда даже сотен микросекунд. Рост стал возможен благодаря тому, что ученые тщательно изолируют кубиты от окружения и воздействия неблагоприятных факторов.

Минимальный набор для квантового вычисления — пара кубитов, которая управляется двухкубитными вентилями. Вентили — логические операции по обработке информации («и», «или», «нет» и т. д.), они есть и в обычных компьютерах. Благодаря объединению фотон (читай — энергия и информация) не теряется, а передается от одного кубита к другому.

Переход с минимально возможного уровня энергии на следующий инициируется за счет воздействия на кубит коротким импульсом микроволн с частотой в несколько гигагерцев, что соответствует длине волны в несколько сантиметров. У таких волн энергия фотонов низкая (энергия излучения, напомним, обратно пропорциональна длине волны). Но температурные флуктуации (отклонение от среднего значения случайной величины) могут легко разрушить квантовую систему. Чтобы это не произошло, температура системы должна быть еще ниже, чем это необходимо для того, чтобы сделать алюминий сверхпроводником. Вместо 1 К требуется порядка 20 мК.

Создают и поддерживают такую температуру специальные холодильники, работающие на смеси изотопов гелия. В нашей стране такие есть во ВНИИА, МГТУ, МФТИ, МИСиСе и Российском квантовом центре.

Как избавиться от ошибок

Чтобы кубиты могли взаимодействовать, необходимо объединить их в цепи, по аналогии с транзисторами. Когда кубиты соединены в схему, работающую по алгоритму, в ней можно запустить сложное вычисление.

Создание цепей — задача не только математическая (надо написать алгоритм), но и аппаратная. Нужна электроника, которая может управлять взаимодействием множества кубитов. Для иллюстрации физики приводят такой пример: представьте, что у вас два капризных ребенка. Сложно ими управлять? Сложно, но возможно. А теперь представьте, что у вас их 50. Физикам, как и родителям, нужны все более сложные средства управления квантовыми «капризными детьми».

Помимо самого выполнения вычислений нужно, чтобы итог этих вычислений был корректным. В России безошибочность выполнения однокубитных операций (контролируемых изменений состояний кубитов) — 99,9 %, двухкубитных — 89 %, а точность считывания — 85–90 %. У Google, в лаборатории Джона Мартиниса в Университете Санта-Барбары, у однокубитных операций показатель тот же, у двухкубитных — 99,5 %. По точности считывания лидер с показателем 99 % — лаборатория IBM в Цюрихе.

Для обычных компьютеров задача избавления от ошибок уже решена, для квантовых решение только предстоит найти. Один из вариантов — создать логический кубит. «С помощью некоторых ухищрений (предлагаю не вдаваться в подробности) можно соединить несколько физических кубитов. Объединенные в систему физические кубиты теоретически могут жить бесконечно долго, потому что физические кубиты «умирают» (теряют информацию) в разное время. Здесь используется принцип двух наблюдателей: когда два наблюдателя смотрят на кубит, они одновременно заметят, что ошибка возникла. Как только возникает совпадение этих двух событий, мы говорим: да, произошла ошибка», — ​поясняет Алексей Устинов. Правда, пока ни одна из команд, работающих над квантовыми процессорами на сверхпроводниках, к решению этой задачи на практике не приблизилась.

Чем квантовый компьютер превосходит обычный?

Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью.

Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому.

Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой. А решение этой задачи позволило бы более грамотно выстраивать навигацию и планировать маршруты по всему миру, что удешевило бы и упростило перемещения людей и грузов. Подобного рода исследования уже проводит Volkswagen совместно с D-Wave и Google.

Квантовый компьютер способен обрабатывать огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения проблем в этих отраслях.

Наконец, квантовые системы способны найти новые методы шифрования и легко взламывать даже самые сложные шифры.

IBM Quantum уже работает с клиентами над решением подобных проблем. Компания помогает разработать новое поколение электромобилей на технологии квантовых батарей с Daimler; технологию снижения выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия экологичных материалов с ExxonMobil: ищет истоки зарождения Вселенной вместе с CERN. А Google использовала Sycamore для точного моделирования химической реакции.