Квантовые технологии. Модуль 4

В этом модуле вы узнаете:
• 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.

Типы кубитов

Кубиты — квантовые биты, из которых строится квантовый компьютер, — можно создавать на базе очень разных физических объектов. Главное, чтобы система могла находиться в состоянии суперпозиции.

Это могут быть ультрахолодные атомы, сверхпроводящие квантовые цепи, фотоны и другие квантовые системы. У каждой из этих систем есть свои преимущества и недостатки.

На этой видеозаписи эксперты Сколтеха рассказывают, из чего можно создать квантовый симулятор:

Нейтральные атомы

В качестве кубита можно использовать атомы, в которых данные «кодируются» в состояниях электронов. Как было рассказано в предыдущих модулях, электроны в атомах находятся в дискретном наборе энергетических состояний и могут переходить с одного уровня на другой, поглощая или испуская фотон определенной энергии.

В состояниях атомов можно кодировать информацию — например, невозбужденное состояние атома можно считать «нулем» (обозначается как |0>), а «единицей» — возбужденное состояние (обозначается как |1>). Как любой другой квантовый объект, атом может находиться в суперпозиции этих двух состояний, а значит, может работать как кубит.

Для кубитов удобно использовать атомы с неспаренным электроном на внешней орбите, где возможны сверхтонкие (hyperfine) энергетические переходы (те же самые, что используются в атомных часах). Наиболее удобны здесь атомы цезия, лития или рубидия.

Однако создать массив таких атомов-кубитов, привести их все в нужное состояние и удержать в нем — непростая технологическая задача.

Прежде всего необходимо избавиться от лишнего тепла, поскольку тепловой шум не позволит контролировать состояния атомов. Для того чтобы довести кубиты до температуры, близкой к абсолютному нулю, используется лазерное охлаждение, то есть облучение лазером определенной длины волны, заставляющим атомы поглощать и испускать фотоны, что влияет на их момент и, следовательно, на температуру.

Вторая проблема — удержать атомы на месте. Ученые подвешивают их в оптических ловушках, представляющих собой серии скрещивающихся лазерных лучей, на пересечении которых образуются стоячие электромагнитные волны.

Во впадинах этих волн и «висят» атомы. Их квантовым состоянием управляют с помощью еще одного лазера.

При этом атомы оказываются в состоянии ультрахолодного ферми-газа, если они являются фермионами, то есть суммарный спин электронов и нуклонов в них оказывается дробным.

Если атомы являются бозонами (с целым спином), как, например, атомы цезия, то они переходят в состояние бозе-эйнштейновского конденсата (специфическое квантовое состояние вещества, в котором все множество составляющих его частиц начинает вести себя как единый квантовый объект, поскольку все они обладают одинаковыми — минимальными — параметрами).

Странное поведение конденсата можно наблюдать даже макроскопически — оно проявляет себя, например, в сверхтекучести жидкого гелия, в сверхпроводимости.

Поэтому газ ультрахолодных атомов используют в качестве квантового симулятора для решения задач моделирования и изучения сверхпроводимости, а также других сильно взаимодействующих систем.

Примером квантового симулятора на базе холодных атомов может служить созданное группой под руководством профессора Гарварда Михаила Лукина 51-кубитное устройство. С его помощью ученые моделировали хорошо известную квантовую систему — модель Изинга, обычно используемую для описания магнитных свойств системы.

Кубиты на NV-центрах

Разновидностью «атомных» кубитов можно считать так называемые NV-центры (или «центры окраски») в алмазах.

В некоторых случаях в регулярной кристаллической решетке алмазов могут возникать дефекты — например, один из атомов углерода может быть замещен атомом азота. В этом случае рядом с азотом в кристаллической решетке возникает «пустое место», вакансия.

Такого типа дефекты и называют NV-центрами. Именно они придают некоторым кристаллам алмазов желтоватый оттенок.

Вакансия заполняется электроном, чьим спином можно управлять с помощью магнитного поля. И как любой другой квантовый объект, электрон в NV-центре может находиться в суперпозиции двух спиновых состояний, а значит, может играть роль кубита.

Главное преимущество «алмазных» кубитов — хорошая устойчивость, электроны в них могут удерживать нужное состояние несколько секунд, что очень много по сравнению с другими типами кубитов. Кроме того, они могут успешно работать даже при комнатной температуре, то есть не требуют, как другие кубиты, громоздкого криогенного оборудования.

Вместе с тем, пока больших установок на базе NV-центров не создано, речь идет об отдельных логических элементах.

Наноалмазы с центрами окраски чувствительны к давлению и температуре и сегодня играют большую роль в создании квантовых сенсоров, поскольку они очень компактны и могут мерить температуру в единичной клетке.

Похожим образом работают одиночные атомы фосфора в кремнии, которыми управляют с помощью инфракрасного лазера, — кремний прозрачен в инфракрасном диапазоне.

Хотя спиновые кубиты на базе холодных атомов, NV-центров и атомов фосфора в кремнии достаточно удобны (они вполне устойчивы к декогеренции, могут «выживать» иногда несколько часов), создание из них больших массивов кубитов может порождать сложности.

Дело в том, что для работы таких массивов необходимо «организовать» взаимодействие между электронами, например для формирования пространственной суперпозиции. Но для формирования этой суперпозиции необходимы расстояния менее 30 нанометров, что слишком мало даже для самых современных нанотехнологических методов.

Выходом может быть создание кубитов на базе молекул. В частности, физики сегодня экспериментируют даже с кубитами на базе органических молекул — пептидов.

Сверхпроводящие квантовые цепи

Хотя у кубитов на базе единичных атомов есть ряд преимуществ — в частности, некоторые из них обладают подавленной декогерентностью, или достаточно большой устойчивостью к шумам, — наиболее широко применяются в качестве кубитов системы на базе так называемых искусственных атомов. Главным образом это сверхпроводящие квантовые системы.

Такие системы, как и кубиты других типов, могут находиться в состоянии суперпозиции, однако имеют значительно бóльшие размеры, а для их изготовления могут использоваться стандартные для современной микроэлектроники технологии литографии и напыления.

Ключевым элементом таких сверхпроводниковых кубитов является джозефсоновский контакт размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Он представляет собой два слоя проводника (сверхпроводящего металла), разделенные тонким слоем диэлектрика, чаще всего оксида металла.

Прежде считалось, что сверхпроводящий ток не может преодолевать этот слой, однако в 1962 году Брайан Джозефсон обнаружил, что ток может течь через барьер диэлектрика.

Электроны (а точнее, куперовские пары) могут переходить из одного слоя металла в другой сквозь диэлектрический слой оксида благодаря квантовому эффекту туннелирования, и в закольцованном проводнике ток может течь бесконечно долго.

Состояние контактов Джозефсона очень чувствительно к магнитным полям, поэтому их используют в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров (SQUID).

Кроме того, состояние джозефсоновских контактов начинает квантоваться, то есть в состоянии кубитов появляются четко выраженные уровни, связанные с направлением циркулирующего тока (у потоковых кубитов), электрическим зарядом (зарядовые кубиты) или его фазой (фазовые кубиты). Управлять такими кубитами можно с помощью микроволнового излучения.

Технология создания сверхпроводящих кубитов

Обычно джозефсоновский переход формируется при помощи напыления алюминия на подложку кремния или сапфира через маленькие (с размерами от 30 до 300 нанометров) окошки — маску, сделанную при помощи электронной литографии.

Алюминий разогревается в вакуумной установке до высоких температур, испаряется и затем осаждается на подложке.

После напыления на подложку тонкого слоя алюминия (толщиной несколько десятков нанометров) он окисляется в кислородной атмосфере, и возникает слой диэлектрика, близкого по химической формуле к сапфиру. Затем сверху напыляется другой слой алюминия, формируя два металлических слоя сверхпроводника, разделенных туннельным барьером.

Продемонстрируем принцип работы сверхпроводникового кубита на примере так называемого зарядового кубита, схематически изображенного ниже. Кубит представляет собой маленький металлический островок, соединенный с другим, обычно заземленным, слоем металла через тонкий слой изолятора.

Начнем со случая незаряженного (электрически нейтрального) острова и договоримся называть его состоянием |0>. Минимальный заряд, который мы можем добавить в остров, — один элементарный заряд (в случае сверхпроводника элементарный заряд — это пара электронов — куперовская пара). Это состояние мы будем называть |1>.

Ниже изображены уровни энергий обоих состояний. Наличие таких уровней энергий позволяет нам называть нашу систему искусственным атомом. Если мы ограничим возбуждения нашей системы двумя нижними состояниями (|0> и |1>), то она будет работать как квантовый бит.

Описанный тип кубита был первым реализованным сверхпроводниковым кубитом, продемонстрированным в 1999 году в Японии группой исследовательской лаборатории NEC.

Такая квантовая система обычно относительно большая с характерными размерами от 1 до 100 микрон, что намного больше размеров минимальных элементов современных интегральных схем (с размерами десятки нанометров). Джозефсоновский переход настолько маленький, что его нельзя разглядеть в оптический микроскоп и его изготовление требует использования нанотехнологий, в частности электронной литографии.

Для того чтобы манипулировать состояниями кубита, прикладываются короткие импульсы сверхвысокой частоты (СВЧ), способные индивидуально подводиться к каждому кубиту специальной полосковой линией на чипе.

Преимуществом сверхпроводящих кубитов, помимо технологичности, является относительная простота создания на их базе логических элементов — кубитов, способных работать «вместе» в качестве элементарных логических вентилей. На базе сверхпроводниковых цепей создаются большие квантовые системы, насчитывающие тысячи кубитов.

Однако «рукотворность» сверхпроводящих кубитов есть их главный недостаток: если атомы можно считать абсолютно одинаковыми, то даже самые продвинутые технологии не позволяют создавать кубиты идеально точно. В сверхпроводниковых кубитах всегда присутствуют дефекты, влияющие на их поведение, способные создавать ошибки и препятствовать их нормальной работе.

Квантовые вычислительные устройства

В настоящее время в разных странах разрабатываются десятки разных типов квантовых вычислительных устройств, основанных на разных типах кубитов, предназначенных для решения разных типов задач.

Однако говорить о начале квантовой эры в вычислительной технике можно будет не раньше, чем квантовые компьютеры покажут свое преимущество над обычными компьютерами в решении каких-либо задач, то есть продемонстрируют квантовую «прибавку» в скорости вычислений — квантовое превосходство.

Доказать, что квантовое превосходство достигнуто, — непростая задача, поскольку одна и та же вычислительная проблема может быть решена десятками разных способов, и если квантовое устройство опережает «обычные» машины в одном случае, это может не работать для многих других методов.

Пока ни одна квантовая вычислительная машина не показала абсолютного квантового превосходства. Попробуем рассказать об основных участниках этой гонки.

Квантовые симуляторы D-Wave

Сегодня канадская компания D-Wave — единственная в мире, поставляющая на рынок коммерческие квантовые вычислительные устройства. Все остальные компании пока занимаются лабораторными экспериментами.

Квантовые устройства D-Wave основаны на сверхпроводящих кубитах, самые большие из них на сегодняшний день содержат до 2 000 кубитов.

Однако это не универсальные квантовые компьютеры, на которых можно было бы запустить любой квантовый алгоритм, а квантовые симуляторы — устройства, приспособленные для решения одного класса задач.

Симуляторы D-Wave, купленные для экспериментов Google, NASA и компанией Lockheed Martin, приспособлены для решения задач оптимизации — поиска минимума некоей очень сложной функции с помощью алгоритмов «квантового отжига».

Специалисты Google, экспериментируя с установками D-Wave, объявили, что им удалось достичь квантового превосходства. Они сообщили, что решили задачу квантового отжига быстрее, чем на классическом компьютере. Однако эксперты отнеслись к этому заявлению скептически — существуют и классические алгоритмы, которые могут решить эту задачу быстрее.

Квантовые компьютеры IBM

Компания разрабатывает собственные универсальные квантовые компьютеры на несколько десятков кубитов. IBM сделала важный шаг, открыв доступ к экспериментам на этих устройствах всем желающим программировать и проверять свои алгоритмы и программы.

Ошибки и декогеренция

Главная проблема на пути создания квантовых компьютеров — декогеренция кубитов, приводящая к потере состояния суперпозиции под действием внешних факторов (излучений, тепла, вибраций).

Для многих типов кубитов время, в течение которого они могут оставаться в заданном состоянии, измеряется миллисекундами. При этом необходимо учесть, что для вычислений кубиты квантового компьютера должны взаимодействовать друг с другом, что тоже потенциально может вызвать декогеренцию.

Эта проблема сильно усложняется, когда речь идет о многокубитных устройствах. Инженеры и физики сегодня всеми способами стремятся увеличить время жизни кубитов, чтобы это позволило успеть просчитать нужную задачу.

Однако полностью избавиться от декогеренции невозможно, поэтому физикам приходится придумывать алгоритмические способы коррекции ошибок. Один из таких способов — «поверхностный код» (surface code) — разработал физик Алексей Китаев.

Суть этого алгоритма состоит в том, что кубиты размещаются в шахматном порядке на плоскости, при этом «белые» — это кубиты, используемые для логических операций, а «черные» — для контроля ошибок.

В некоторых устройствах практически все кубиты занимаются не вычислениями, а проверками и коррекцией ошибок, то есть несколько тысяч физических кубитов образуют один логический кубит. При этом для получения действительно полезных результатов квантовые компьютеры должны состоять из сотен логических кубитов.

Узнайте, насколько хорошо вы усвоили материалы модуля.

ПЕРЕЙТИ К ПЯТОМУ МОДУЛЮ