Квантовое преследование

Зачем в России занялись кубитами на холодных атомах и ионах

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.

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.

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.

«У такой идеологии два существенных плюса, — поясняет Колачевский. — Во-первых, можно запутать или сделать суперпозицию между двумя произвольными ионами: крайним левым и крайним правым, вторым и четвертым, двенадцатым и первым — все равно. Просто направить соответствующие лазерные пучки с помощью быстрого дефлектора. В [других платформах, например] 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, устройства не сверхпроводниковых кубитах, на ионных делают только Honeywell и IonQ (IonQ основал Кристофер Монро, который вместе с Уайнлендом в 1995 году собрал вентиль CNOT в ионе бериллия).

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.

Если в гонке есть явно доминирующая команда, вопрос о лидерстве для внешнего наблюдателя не стоит. Лидер первый во всем. В случае с квантовыми платформами — первый по числу кубитов, первый по времени жизни запутанного состояния, первый по разнообразию возможных логических операций, первый по количеству задач, которые можно на нем решать. Но как только появляется реальная конкурентная борьба, нужна методика определения лидера и технический регламент.

Обсуждая регламент и методику сравнения соперников, неплохо бы понять, где провести финишную черту. И она до сих пор все еще довольно размыта. Идеи теоретиков весьма разнообразны: кто-то говорит про квантовое превосходство и решение неподъемной для классического компьютера математической проблемы, кто-то мечтает о квантовом искусственном интеллекте, кто-то более приземленно рассуждает о задачах оптимизации и моделировании квантовых систем. Большинство этих идей очень сильно опережают нынешние технические возможности. «Разрыв между желаниями и возможностями сейчас фантастический, — сетует Колачевский. — Если читать теоретические работы, предположим, в области квантовых вычислений, то теоретики шагнули бесконечно далеко вперед. А техника сейчас — три кубита, пять кубитов, пятьдесят кубитов. И те шумные».

В результате все двигаются как будто бы немного в разные стороны — искать взглядом лидера становится труднее. При этом гонка продолжается, и каждый участник норовит объявить себя лидером, апеллируя вместо общего регламента к широкой аудитории. Одни ссылаются на уже упомянутое квантовое превосходство, другие предлагают учитывать экономическую выгоду, третьи хотят заставить соперников, наконец, решить на скорость какую-то конкретную задачу. Понять, кто впереди, не так просто. В том числе и потому, что они двигаются разными маршрутами. «У кого-то схожесть квантовых состояний [fidelity] выше, зато с масштабируемостью беда, — продолжает Колачевский. — У кого-то масштабируемость хорошая, но время когерентности безобразно короткое. В каждом направлении есть такой тупик. Именно поэтому этих платформ так много. У каждой свои достоинства».

Кристофер Монро, профессор Дьюкского университета и сооснователь IonQ: «Пока мы на очень ранней стадии квантовых вычислений, и неудивительно, что существует много конкурирующих платформ. Но я бы сказал, что будущее сверхпроводниковых квантовых компьютеров выглядит довольно проблемным. Никто не знает, как их масштабировать — и не только потому, что охлаждение макроскопической системы до почти абсолютного нуля чрезвычайно сложно. Есть две более неприятные проблемы: во-первых, все сверхпроводящие кубиты отличаются друг от друга, и по мере роста системы количество кубитов в нужном состоянии постепенно сокращается до нуля; а во-вторых, время когерентности сверхпроводящих кубитов недостаточно для проведения длительных вычислений. Единственная надежда — разработка устойчивого к сбоям механизма коррекции ошибок. Но даже это выглядит безнадежным, поскольку собственная частота ошибок при этом должна оставаться низкой. Из-за этого сверхпроводниковым системам может потребоваться миллион физических кубитов только для того, чтобы получить сто пригодных для использования».

Единый метр

Изначально универсальной линейкой для сравнения разных машин стало число кубитов — наиболее естественный для сравнения параметр. В 2018 году появление 72-кубитного компьютера компании Google выглядело как победа над 49-кубитным компьютером IBM, гарвардским 51-кубитным симулятором на нейтральных атомах и 53-кубитным вычислителем на ионах в Университете Мэриленда. Три года спустя, предоставляя доступ к своим квантовым вычислителям, компания IBM указывает рядом с количеством кубитов еще одно значение — квантовый объем.

Cамо по себе число кубитов не всегда говорит о вычислительных возможностях устройства. Если запутанные состояния в такой платформе очень быстро разрушаются, то все кубиты превращаются в тыкву — ничего не вычисляющие атомы в ловушках или сверхпроводящие микросхемы. Поэтому, чтобы не сравнивать квантовые платформы по тем параметрам, которые выгодно выделяют одних и совсем не подходят для других, физики из IBM придумали новую метрику.

Квантовый объем специально определили так, чтобы можно было сравнить компьютер с большим числом кубитов с компьютером с долгой декогеренцией. Сначала его задавали как n — меньшее из числа кубитов и количества последовательных операций, которые на них можно провести (а оно определяется через число кубитов и вероятность ошибки). Затем, чтобы соотнести его с разрядностью классических вычислителей (в нынешних, как правило, стоят 64-битные процессоры), квантовый объем стали выражать уже по формуле 2n.

По таким правилам на июль 2021 года максимальный квантовый объем 210=1024 — у десятикубитных квантовых симуляторов Honeywell, работающих на ионных ловушках. В 32-кубитных ионных вычислителях IonQ квантовый объем, по утверждениям самой компании, должен превышать 4 миллиона, но пока это только предварительные оценки. У сверхпроводящих 27-кубитных компьютеров IBM квантовый объем составляет 27=128, у 53-кубитного Google Sycamore — 25=32. Оценку квантового объема для 72-кубитного компьютера Google не проводили, но из-за «шумности» логических операций он должен быть еще меньше, чем у Sycamore.

С появлением новой метрики ионные квантовые компьютеры смогли оспорить лидерство сверхпроводящих. Еще есть фотонная платформа — именно на ней китайские физики продемонстрировали квантовое превосходство. Но к этим системам у ученых пока довольно настороженное отношение — как, впрочем, и к большинству демонстраций квантового превосходства. Например, в 2019 году физики из Google опубликовали статью, в которой говорили, что Sycamore за 200 секунд справился с расчетной задачей, на которую у классического компьютера должно уйти 10 тысяч лет. После чего сначала сотрудники IBM теоретически показали, что оценка классического расчета сильно завышена и если оптимизировать работу с оперативной памятью, то 10 тысяч лет можно сократить до двух с половиной дней. Потом китайские ученые из Института теоретической физики Китайской академии наук показали уже экспериментально, что классическому компьютеру хватит на такую задачу пяти дней.

Ловушки для преследователей

В России кубитами на ионах увлеклись чуть позже, чем сверхпроводящими. Сейчас ими занимаются в лаборатории Физического института имени Лебедева — работают с атомами иттербия. «У иттербия кубитами являются переходы сверхтонкого состояния с частотой 12 гигагерц, — объясняет Колачевский. — То есть это радиочастотный кубит. Это удобно, потому что все операции надо делать в радиочастотном диапазоне. Время когерентности этих ионов — ну, в лучших работах — до часа. Это бесконечно долго по сравнению со сверхпроводниками и нейтральными атомами».

Кристофер Монро: «Выбор конкретного элемента в квантовом компьютере с ионной ловушкой — не определяющий. Есть много хороших элементов, таких как иттербий, барий или кальций. Выбор иона сводится к тому, лазер какого цвета вам придется использовать и как масштабировать оптическую систему. Но физика атомного кубита одинакова независимо от элемента».

По двум измерениям ионная цепочка фокусируется с помощью радиочастотных лазерных ловушек, а вдоль третьей оси — с помощью постоянного электрического поля. Уже сейчас с помощью трехмерных ловушек удается выстраивать довольно длинные цепочки, до 22 ионов, но управлять их состояниями получается лишь для цепочки из пяти. Кубитами в полном смысле они пока не стали: каждый из этих пяти ионов — половинка вентиля, с которой начинал Уайнленд в 1995 году.

К концу 2021 года ученые планируют провести и первую двухкубитную операцию на этой платформе. Основная сложность — скомпенсировать электростатическое поле самих ионов, в этом направлении сейчас и ведутся работы. Если удастся решить эту проблему для каждой пары в цепочке из пяти ионов, то квантовый объем компьютера в ФИАНе будет 25=32, в 32 раза меньше, чем у Honeywell. Для этого температуру холодных ионов надо понизить до долей милликельвинов. Пока же температура, которую удается стабильно поддерживать, в десятки раз выше, порядка единиц милликельвинов. Опустить температуру до нужных величин можно, но чтобы сделать это воспроизводимо и достичь устойчивого состояния, нужно подавить микродвижения ионов. И хотя сейчас это скорее технический вопрос, часто именно тонкая настройка и подбор точных параметров отнимает основную часть времени.

«У нас уже сейчас есть все необходимое оборудование и, в общем-то, вся инфраструктура. Но в плане технической реализации это довольно деликатный вопрос. Для того, чтобы ион оказался в нужном состоянии, он должен быть очень холодным. А когда нам удастся до конца это все контролировать: нагрев этих ионов, радиочастотные поля, — пока непонятно, — описывает текущее состояние Колачевский. — Риски есть. Я честно скажу: я не знаю, насколько хорошо мы сможем этой системой именно в холодном состоянии управлять. Захватывать [частицы] мы можем. Конструктор у нас весь есть — теперь надо его собрать. У нас есть план сделать пятикубитную систему с двухкубитными операциями к концу 2021 года. Тогда сделать 20-кубитную к 2023 году — вполне реалистично».

По мнению ученого, с точки зрения технологий и инфраструктуры, что бы там ни думали в IBM, квантовые компьютеры на сверхпроводящих кубитах все еще остаются безусловными лидерами. Ионные квантовые компьютеры к ним приближаются, а остальные — пока далеко: «Китайцы уже 62-кубитную машину сделали. Sycamore худо-бедно посчитал какие-то задачи, правда бессмысленные в плане практической ценности. В мире есть понимание, что ионная платформа работает. [А] фотонная платформа — очень специфическая: там кубиты не совсем кубиты. Это так называемые „линейные вычисления“. Все остальное — это пока поисковые направления. Причем довольно глубоко поисковые. Включая нейтральные атомы или кремниевые системы».

Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета, который занимается разработкой квантовых симуляторов сразу на нескольких платформах, в разговоре с N + 1 отмечает, что на самом деле нейтральные атомы уже догнали сверхпроводниковые и ионные кубиты: «С точки зрения квантового объема, в настоящий момент очень сложно соревноваться с нейтральными атомами. В самых передовых экспериментах уже возможно программировать, где атомы находятся, возможно индивидуально готовить и считывать состояние атомов. В них возможны [и] индивидуальные логические операции с каждым атомом, и глобальные логические операции».

Соблюдая нейтральность

Нейтрально-атомные квантовые системы по своей основной идее во многом похожи на ионные. Кубиты тут тоже частицы, подвешенные в вакууме, которыми управляют при помощи лазерного охлаждения. Для атомной платформы, как и для ионной, многое было подготовлено уже к началу 1990-х, но в гонку они вступили одними из последних. Возможно, поэтому конкуренты пока не воспринимают их до конца всерьез.

Основная разница между атомными и ионными кубитами — это электрический заряд. Он положительный у ионов и нулевой у нейтральных атомов. Из-за этого подвешивать частицы в вакууме приходится иначе: вместо одномерной камеры с электростатическим полем и радиочастотными лазерами для атомов нужна система оптических пинцетов — множество пучков в видимой или близкой к ней области длин волн, которые создают двумерные или даже трехмерные массивы атомов. Кроме того, кубитам без заряда нужно было найти новое средство связи друг с другом. Ионный механизм, основанный на колебаниях и электростатическом отталкивании, для незаряженных частиц работать перестает.

Кристофер Монро: «Нейтральные атомы обладают теми же достоинствами, что и ионы: все они совершенно одинаковые, значит, априори подходят для масштабирования. Но уровень контроля нейтральных атомов намного ниже, чем ионов, — поэтому они, возможно, более интересны как симуляторы конкретных систем, а не квантовые компьютеры общего назначения. По схожести квантовых состояний при запутывании большие системы нейтральных атомах примерно на десять лет отстают от ионных. Отчасти это различие связано с тем, что при захвате в ловушку состояния нейтральных атомов всегда искажаются, в отличие от ионов. Кроме того, нейтральные атомы очень слабо связаны и имеют короткое время жизни в ловушке, в то время как массивы ионных кубитов могут удерживаться бесконечно».

Не имея проработанного способа управлять взаимодействием кубитов, платформа тянула со стартом до середины 2010-х. Подготовка к нему началась еще в 2000-е, когда нейтральные атомы научились выстраивать в упорядоченные решетки с помощью системы лазеров. Тогда же появились идеи, как влиять на квантовое взаимодействие между атомами, делать из них логические элементы. Но тогда это остановилось на уровни идей — их реализации пришлось ждать больше десяти лет.

Чтобы решить проблему взаимодействия, физики предложили использовать механизм ридберговской блокады, который придумывал в том числе Лукин. Чтобы запустить этот механизм, ученые берут атомы щелочных металлов — с единственным электроном на внешнем уровне. С помощью лазера этот электрон переводят в высоковозбужденное состояние, так что радиус атома увеличивается не на пару процентов, а сразу на три-четыре порядка — примерно до одного микрометра. «Обычно в атоме в основном состоянии электрон находится очень близко к ядру, — объясняет Лукин. — Размер электронной орбиты — десятые доли нанометра. А для того, чтобы атомы взаимодействовали, мы их возбуждаем в ридберговское состояние, в котором реальный их размер увеличивается почти что в тысячу раз. Электрон оказывается в тысячу раз дальше от ядра. В наших экспериментах мы используем для этого атомы рубидия, но, в принципе, это может быть любой атом».

Если два ридберговских атома — соседи в решетке, то из-за очень сильного дипольного взаимодействия их нельзя оба одновременно перевести в нужное состояние: либо один, либо другой. «Мотивированные нашей работой по сохранению света, мы вместе с Петером Цоллером и его группой придумали идею ридберговской блокады, — рассказывает Лукин. — Эта блокада оказалась очень быстрым и очень надежным механизмом запутывания, который не чувствителен к тому, где точно атомы находятся (даже к маленьким колебаниям атомов), то есть не надо делать калибровку. Это был, наверно, 2001 год, когда мы эту идею предложили».

Запутать два холодных атома в решетке удалось физикам из Висконсинского университета в Мэдисоне в 2010 году, на полноценный вентиль CNOT у них ушло еще пять лет. С тех пор платформа стремительно набирала ход: квантовый вычислитель на холодных атомах уже догнал и обогнал по числу кубитов не только ионную платформу, но и сверхпроводящую. Нынешние системы на холодных атомах (например, недавно Лукин с соавторами сделали 256-кубитную квантовую систему) сами авторы называют программируемым квантовым симулятором. Пока эта машина не универсальный квантовый компьютер — но как только количество каналов управления приблизится к количеству кубитов, она им станет.

Нулевой заряд хорош тем, что частицы не расталкивают друг друга, а значит их большие массивы стабильны. В отличие от ионов, из них легко составлять не только одномерные цепочки, но и двумерные решетки (а потенциально — и трехмерные).

Впереди у нейтральных квантовых вычислителей — выход на универсальность. Сейчас эти вычислители подходят для моделирования квантовых систем, но программировать на них пока нельзя. Например, сейчас из-за ограничений по скорости переключения управляющих лазерных пучков на атомном симуляторе сложно проводить несколько разных логических операций параллельно. У ионной платформы такое ограничение тоже есть. Сейчас каналов контроля в машинах на ионах и холодных атомах меньше, чем кубитов. Но это уже не концептуальная, а инженерная задача. Ее решение, вероятно, позволит уже явно обогнать универсальные квантовые компьютеры на сверхпроводящих кубитах.

Для многих научных задач это, впрочем, не нужно. Например, для моделирования взаимодействующих спинов: от модели Изинга до более сложных спиновых систем с нелокальным взаимодействием. На симуляторах из атомных решеток можно создавать и исследовать новые квантовые фазынаблюдать за квантовыми фазовыми переходами или решать задачи оптимизации. Для классических симуляторов эти задачи в ближайшем будущем останутся недоступными.

При исследовании квантовых фазовых переходов атомные квантовые симуляторы уже сейчас позволяют делать открытия. Например, именно данные с ридберговского квантового симулятора впервые показали, что термализация квантового льда (то есть приведение его к равновесной температуре) непосредственно связана с квантовой запутанностью. Из-за запутанности в образовавшейся квантовой жидкости сохраняются «шрамы», которые потом вызывают обратную кристаллизацию в лед. Это запускает колебательный процесс плавления-кристаллизации, который раньше даже теоретически никто не описывал. Лукин отмечает, что пока это единственное настоящее открытие, которое удалось сделать с помощью квантового вычислителя любого типа, и надеется, что в ближайшем будущем их число резко возрастет.

Атомы тут

«В России сейчас есть две заметные группы, которые занимаются ридберговскими атомами, — рассказывает Лукин, один из создателей и член консультативного совета Российского Квантового Центра. — Группа Бетерова в Новосибирске, у которой довольно оригинальный подход к спектроскопии ридберговских атомов. За последние десять лет у них было несколько очень хороших работ. Но это именно спектроскопия, а не квантовые компьютеры. И сейчас в новом проекте по квантовым компьютерам в РКЦ и МГУ группа Стаса Страупе. У них есть планы и есть хорошие идеи. Надо посмотреть, что получится».

Работать над созданием атомного квантового вычислителя группа Страупе начала в Центре квантовых технологий физфака МГУ в 2018 году. Сейчас у них уже есть установка для получения двумерных массивов холодных атомов рубидия. В ее основе система из сотен оптических элементов — зеркал, светоделителей, поляризаторов, — которая может улавливать больше ста атомов. Принцип создания двумерных массивов холодных атомов рубидия похож на тот, который использует Лукин в Гарварде. Сначала магнитооптическая ловушка охлаждает атомы до сотни микрокельвинов. После этого в дело вступают оптические пинцеты — система лазеров с длиной волны 850 нанометров, которая формирует в вакуумной камере голограмму. «Длина волны должна выбираться так, чтобы быть больше длины волны переходов из основного в первое возбужденное состояние атомов, — объясняет Страупе. — Тогда потенциал ловушки будет ямой для атома: максимум интенсивности соответствует минимуму потенциала. У рубидия переход 5S-5P из-за тонкого расщепления состоит из двух линий, 780 и 795 нанометров. Соответственно, подойдет все, что больше 795 нанометров». При давлении в камере на 13 порядков ниже атмосферного атомы в ловушках живут около 10 секунд.

Массив атомов, которые выстраиваются в минимумах электромагнитного поля лазерной голограммы, сначала получается не идеальным: в некоторых ловушках есть атомы, а в некоторых нет. С помощью своеобразного демона Максвелла эти дефекты удаляют: программа, которую ученые писали и адаптировали параллельно с усложнением и модернизацией инструментальной части атомной ловушки, анализирует кадр с захваченными атомами. После этого часть пустых ловушек исключают, а остальные сортируют так, чтобы получился практически идеальный двумерный кристалл. В результате плотно заполняется средняя часть решетки.

Лукин таким образом уже сейчас получает двумерные решетки 16 на 16 с взаимодействующими кубитами, у российских ученых пока решетки 6 на 6. Квантовым состоянием каждого отдельного кубита в такой решетке можно управлять свободно, но первая двухкубитная операция у физиков из МГУ, как и у их коллег из ФИАНа — в планах на ближайшие месяцы. Но частиц в двумерной решетке холодных атомов рубидия уже сейчас примерно в пять раз больше, чем холодных ионов иттербия в одномерной цепочке.

Когда ученые из МГУ смогут проводить стабильные двухкубитные операции на своей установке, они планируют предоставить к ней доступ другим ученым, как это делают и многие крупные компании, производящие квантовые вычислители. «Пока что интерес в основном в академической среде, — говорит Страупе. — Вообще, квантовые компьютеры нынешнего поколения — это прежде всего устройства для проведения удаленных физических экспериментов, такие облачные экспериментальные установки. Это вообще общий тренд, как мне кажется. Так же, как и классические облачные вычисления. В этом смысле, чем больше различных физических архитектур исследователи смогут использовать, тем лучше — так что атомный вычислитель в облаке придется очень кстати. Пока что они практически не представлены, по сравнению со сверхпроводящими кубитами и ионами».

Их надо искать

Ближайшие шаги развития обеих платформ — скорее технического характера: увеличивать число кубитов и размерность решетки, подбирать параметры, чтобы уверенно проводить мультикубитные операции, выстраивать архитектуру, адаптировать инструмент и программное обеспечение под новые схемы и новые задачи. Масштабировать вычислитель до сотен ионов и тысяч атомов — скорее всего, не проблема. Но чтобы потом перейти от тысяч к миллионам, придется искать какие-то принципиально новые решения. И не факт, что в тот момент квантовые компьютеры на ионах или нейтральных атомах будут все еще среди лидеров гонки. Могут прибавить их сверхпроводящие соперники — а может, квантовый объем переопределят вновь. В МГУ буквально в соседней комнате с установкой на холодных атомах рубидия — аналогичный фотонный квантовый симулятор.

«Мы не знаем, где выстрелит, — говорит Колачевский. — Важен поиск. Задача — технологически дорасти до уровня, близкого к загранице, и, может быть, найти какие-то решения, которые ее опередят. <...> У меня есть определенный оптимизм, хотя задача очень сложная. Сложная не по постановке — опередить, — а просто само по себе создание компьютера очень сложное. Ну, работа такая деликатная, сложная. В ряде мест должно, простите, просто повезти».

Пока россияне догоняют, лидеры пытаются определиться, зачем вообще эта гонка и к какой цели все едут. «С одной стороны, это, безусловно, гонка, но, с другой — мы все плывем в одной лодке. [И для всех платформ] есть две большие, глобальные задачи в этой области. Одна задача — понять, как строить настоящий квантовый компьютер с миллионом хороших кубитов, — объясняет Лукин. — Этого мы пока не знаем. Но второй вопрос самый интересный: для чего же эти машины могут использоваться? Пока мы решаем научные задачи. Но конечно, хотелось бы решать задачи, которые интересны всем. Их надо искать».

Уже после публикации материала мы добавили в него комментарии Кристофера Монро.
Александр Дубов при участии Ильи Ферапонтова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.