Пятьдесят кубитов и еще один

В пятницу утром, 14 июля, на Международной конференции по квантовым технологиям Михаил Лукин — сооснователь Российского квантового центра и профессор в Гарвардском университете — рассказал о создании его научной группой полностью программируемого 51-кубитного квантового вычислителя. На первый взгляд, такой результат можно назвать внезапным прорывом в этой области — такие гиганты, как Google и IBM, только подбираются к рубежу 50 кубитов в квантовом компьютере. Буквально вчера на сервере препринтов arXiv.org появилось подробное описание эксперимента. Редакция N + 1 решила разобраться в том, что же все-таки произошло и чего ждать от нового квантового компьютера.

Коротко о квантовых компьютерах — универсальных и неуниверсальных

О квантовых компьютерах мы уже неоднократно писали — это вычислительные устройства, которые используют запутанность, суперпозицию состояний, туннелирование и другие необычные квантовые эффекты для выполнения полезных вычислений. Это помогает гораздо быстрее справляться с такими задачами, в которых надо использовать перебор вариантов, — например, задачи оптимизации. Одновременно с этим квантовые компьютеры позволяют эффективно моделировать квантовые системы — по сути, любое вычисление на квантовом компьютере и есть моделирование системы квантовых объектов. С этим связаны большие надежды химиков-теоретиков: ожидается, что такие системы легко могут вычислять колебательные спектры и другие свойства молекул, упростят дизайн лекарств.

Главный элемент квантового компьютера — кубит, объект, который способен находиться сразу в двух состояниях одновременно. Причем при измерении этого кубита будет с некоторой вероятностью выпадать одно из состояний. Например, в 25 процентах случаев — «ноль», в 75 процентах случаев — «единица». В кубитах на основе сверхпроводящих колец суперпозиция достигается тем, что ток одновременно движется и по, и против часовой стрелки. В устройствах на основе холодных атомов кубиты находятся сразу в двух различных электронных состояниях. Запутанность кубитов определяется тем, ведут ли они себя как единая система, или же могут разбиваться на отдельные независимые состояния.

Операции в квантовых компьютерах — и, более широко, квантовых вычислителях — это изменения состояния (суперпозиции состояний) одного или сразу нескольких кубитов, которая протекает по определенным правилам. Возьмем к примеру, операцию (или, точнее, логический вентиль) управляемого «НЕ» (CNOT). В установке с холодными атомами он реализуется последовательностью лазерных импульсов. Она меняет местами вероятности «нуля» и «единицы» в первом кубите, если второй оказывается «единицей», и оставляет их неизменными, если второй — «ноль». Если управляющий кубит находится в суперпозиции состояний, то CNOT запутывает состояния обоих кубитов.

Универсальные квантовые компьютеры отличаются от неуниверсальных тем, что они могут выполнять любые логические вентили, например, разбивая их на последовательность нескольких основных. Соответственно, универсальные квантовые компьютеры способны исполнять любые квантовые алгоритмы, состоящие из последовательного применения вентилей — сюда входят известные алгоритмы Шора (разложение на простые множители) и Дойча (проверка постоянности неизвестной функции). Неуниверсальные квантовые вычислители ограничены более узким спектром алгоритмов. Например, компьютеры D-wave выполняют только одну операцию — квантовый отжиг.

На что похож 51-кубитный компьютер?

Разберемся с системой, созданной физиками в новой работе. Роль кубитов в ней играют холодные атомы рубидия, захваченные в оптическую ловушку. Сама ловушка представляет собой массив из 101 оптического пинцета (сфокусированного лазерного луча). Атом удерживается пинцетом в равновесном положении за счет градиента электрического поля — он притягивается к области с максимальной напряженностью электрического поля, которая находится в точке фокуса пинцета. Так как все пинцеты выстроены в ряд, все атомы-кубиты компьютера также выстроен в цепочку.

«Ноль» для каждого из атомов рубидия — его основное, невозбужденное состояние. «Единица» — специально подготовленное ридберговское состояние. Это такое возбужденное состояние, в котором внешний электрон рубидия оказывается очень далеко от ядра (на 50-й, 100-й, 1000-й орбитали), но по-прежнему остается с ним связан. Из-за большого радиуса ридберговские атомы начинают взаимодействовать (отталкиваться) на гораздо больших расстояниях, чем обычные. Это отталкивание и позволяет превратить ряд из 51 атома рубидия в цепочку сильно взаимодействующих частиц.

Для управления состояниями кубитов используется отдельная система лазеров, способная возбуждать их в ридберговское состояние. Главная и важнейшая особенность нового вычислителя — возможность напрямую адресоваться к каждому из 51 кубита. Существуют и более сложные ансамбли атомов, в которых наблюдаются запутанные квантовые состояния (недавно мы рассказывали о 16 миллионах атомов, запутанных взаимодействием с одним фотоном), а квантовое моделирование выполняли и на более чем сотне холодных атомов. Но во всех этих случаях у ученых не было возможности точно контролировать систему. Именно поэтому новая система называется полностью программируемым квантовым компьютером.

Что может «посчитать» новый компьютер?

Каждое вычисление на квантовом компьютере — в некотором смысле моделирование реальной квантовой системы. Основная часть новой работы посвящена моделированию хорошо известной квантовой системы — модели Изинга. Она описывает цепочку (в данном случае) частиц с ненулевыми спинами (магнитными моментами), взаимодействующих со своими соседями. Модель Изинга часто привлекают для описания магнетизма и магнитных переходов в твердых телах.

Эксперимент был построен следующим образом. Сначала частицы охлаждали и захватывали в оптические пинцеты. Это вероятностный процесс, поэтому поначалу массив частиц был хаотичным. Затем с помощью последовательности измерений и корректировок создавался бездефектный массив из более чем 50 холодных атомов в основном невозбужденном состоянии. На следующем этапе оптические пинцеты отключали и одновременно с этим включали систему, возбуждавшую атомы в ридберговское состояние. Некоторое время система эволюционировала под действием ван-дер-ваальсовых сил — атомы занимали наиболее «удобные» для них позиции, после чего пинцеты снова включали и изучали результат эволюции.

В зависимости от того, как близко располагались холодные атомы до возбуждающего импульса, физики наблюдали разные результаты эволюции. Это связано с тем, что ридберговские атомы способны подавлять возбуждение соседей до ридберговских состояний (из-за сильного отталкивания). Ученые наблюдали системы, в которых атомы после эволюции оказывались упорядочены так, что между каждой парой соседних ридберговских атомов был строго один, строго два или строго три обычных.

Интересно, что образование очень упорядоченных структур после свободной эволюции происходило с очень большой вероятностью — даже в случае массива из 51 холодного атома.

Чтобы посмотреть, как происходит процесс эволюции, ученые включали пинцеты и «фотографировали» систему в разные моменты времени. Оказалось, что в некоторых случаях эволюция к состоянию равновесия происходила очень медленно: система долгое время колебалась между несколькими состояниями. Этот результат можно подтвердить грубым классическим моделированием, вовлекая в анализ взаимодействия между соседними и следующими за соседними атомами.

Полезно ли это?

Это один из тех случаев, когда квантовое моделирование предсказывает реальный новый эффект. Стоит заметить, что точно смоделировать систему из 51 холодного атома с помощью классического компьютера невозможно. Чтобы только описать все возможные ее состояния потребуется 2⁵¹ бита оперативной памяти (около петабайта). Подтвердить этот эффект удалось лишь грубым моделированием на классическом компьютере.

Интересно, что ровно обратная ситуация возникает при квантово-химических расчетах — классические компьютеры дают лишь приблизительную оценку свойств для сложных систем, затрачивая на это огромные вычислительные ресурсы. В то же время прямой анализ этих, безусловно, квантовых систем дает точный результат.

А для чего еще он пригодится?

В конце препринта авторы традиционно приводят список областей, в которых может быть полезна новая разработка. Можно перечислить некоторые из них: создание суперпозиций, состоящих из большого количества частиц, исследование топологических состояний в спиновых системах. Физики отдельно отмечают, что алгоритм хорошо подходит для решения задач оптимизации систем, размеры которых заведомо превышают предел досягаемости обычных компьютеров. Эти задачи включают в себя моделирование химических реакций и обучение квантовых нейросетей.

Можно ли считать новый компьютер универсальным? Достиг ли он квантового превосходства?

Созданная Михаилом Лукиным и его коллегами система работает сейчас как квантовый симулятор — она моделирует системы, подобные самой себе. Однако стоит заметить, что на отдельных парах ридберговских атомов физикам уже удавалось создавать логические CNOT-вентили, используемые для создания запутанности. Поэтому можно говорить о том, что в новой системе можно реализовать некоторые простейшие алгоритмы (к примеру, алгоритм Дойча, или алгоритм Шора для очень маленьких чисел). Однако на данном этапе эти алгоритмы не будут полезными.

В некотором смысле новое устройство уже сейчас способно решать задачи, недоступные для классических компьютеров — его невозможно точно смоделировать обычными компьютерами. Но говорить о полезном квантовом превосходстве, которое уже сейчас пригодится в прикладных задачах, еще рано. Многие ученые отмечают, что гонка за квантовым превосходством сейчас не несет в себе ничего полезного с точки зрения прикладных вычислительных задач.

Стоит заметить, что эксперименты с атомами в оптических решетках уже несколько лет назад превзошли предел досягаемости точного моделирования классическими компьютерами. В них используются десятки связанных между собой частиц. Например, с их помощью моделируют квантовые кооперативные явления, родственные сверхтекучести и сверхпроводимости. Является ли это квантовым превосходством?

Владимир Королёв