Китайские физики под руководством Цзянь-Вэй Пана из Научно-технологического университета в Хэфэй разработали чип, обеспечивающий квантовую запутанность одновременно десяти сверхпроводящих кубитов. Это рекордный для подобной технологии результат. Предыдущий рубеж в девять кубитов был «взят» в 2015 году группой Джона Мартинеса (Университет Калифорнии и Google Quantum A.I. Lab). Увеличение количества кубитов в чипах — необходимый шаг для того чтобы достигнуть превосходства квантовых вычислителей над классическими. Работа еще не прошла процедуру рецензирования, ее препринт опубликован на сайте arXiv.org, кратко о ней сообщает Physics World.
Кубиты — логические элементы квантовых компьютеров, квантовые аналоги битов. В отличие от битов, они могут находиться в суперпозиции состояний «нуля» и «единицы», принимая при измерении одно из значений с некоторой вероятностью. Важно отметить, что количество состояний, одновременно существующих в суперпозиции, быстро растет с количеством кубитов. Так, пять кубитов уже составляют суперпозицию 32 состояний, а десять — 1024 состояний. Такое необычное поведение позволяет создавать алгоритмы для квантовых компьютеров, значительно превосходящие классические: например, для решения задачи о разложении числа на простые множители или поиска решений уравнений.
Существует несколько физических воплощений кубитов. Большой популярностью пользуются системы на холодных атомах, захваченных в оптические ловушки. В роли «нуля» и «единицы» в кубитах выступает спин атома, направленный «вверх» или «вниз». На них уже были построены рабочие пятикубитные квантовые компьютеры. Однако такие системы трудно производить массово. Другой известный подход — сверхпроводящие кубиты на основе джозефсонофских контактов. Это кольца из сверхпроводящего материала, в которых есть небольшая (наноразмерная) вставка из диэлектрика. Роль «нуля» в нем играет электрический ток, движущийся по часовой стрелке, «единицы» — против. Таким образом, в сверхпроводящем кубите возникает суперпозиция направлений токов.
На сверхпроводящих кубитах уже были созданы полноценные чипы, способные замечать и корректировать квантовые ошибки — четырех- и девятикубитные, соответственно. Более того, квантовые вычислители на таких элементах уже были успешно использованы группой Мартинеса для расчета энергии связи в молекуле водорода. Подобные разработки ведутся и в России.
Как для вычислений, так и для коррекции ошибок в системе должна существовать квантовая запутанность, особое коллективное состояние кубитов. Это явление не имеет аналогов в классической физике, в нем проявляется нелокальность квантовой механики. Она проявляется в том, что при измерении одного из запутанных кубитов мгновенно и без каких-либо взаимодействий изменяются состояния остальных кубитов. С увеличением количества запутанных частиц растут возможности квантовых алгоритмов.
Авторы новой работы создали десятикубитный чип на сверхпроводящих алюминиевых кольцах, в котором реализуется квантовая запутанность. По сравнению с предыдущим девятикубитным рекордом, установка китайских физиков отличалась архитектурой: сверхпроводящие кольца были выстроены в круг, а не в линию. Кроме того, все кубиты были соединены с центральной шиной, обеспечивающей запутанность. Размер одного логического элемента в схеме не превышал полумиллиметра.
На первом этапе эксперимента кубиты были приготовлены в исходных состояниях с помощью микроволновых импульсов: к каждому кубиту был подведен волновод. Чтобы избежать интерференции физики использовали разные частоты для разных кубитов. Затем эти устройства начинали обмениваться энергией через центральную шину, выравнивая частоты и создавая запутанное состояние. Ученые измерили запутанность с помощью методов квантовой томографии — он позволяет определить вероятность обнаружения различных квантовых состояний. Поскольку в системе таких состояний могут быть тысячи, это требует огромного количества экспериментов. В результате статистическая значимость доказательства запутанности превысила шесть сигма.
Исследователи отмечают, что разработанная схема генерации запутанности работает очень быстро. Вместе с тем, она хорошо масштабируется — искажения в ней усиливаются медленнее, чем в традиционной схеме генерации запутанности на CNOT-вентилях. Через 5-10 лет физики надеются создать 50-кубитный квантовый вычислитель, который позволит моделировать свойства небольших молекул быстрее, чем обычные компьютеры.
Работу прокомментировал для Physics World глава научной группы, обладающей предыдущим рекордом, — Джон Мартинес. Ученый отметил заслуги китайских физиков и хороший эксперимент, но, по его словам, сложно оценить, фактический прогресс в области сверхпроводящих кубитов — недостаточно данных о точности работы запутывающей шины и вентилей.
Ранее физики из университета Женевы показали, что с помощью одного фотона в твердом теле можно запутать одновременно 16 миллионов атомов. Однако этот результат не имеет прямого практического применения, так как в такой постановке эксперимента невозможно адресоваться к индивидуальным атомам.
Сейчас в мире существует несколько квантовых компьютеров, работающих на небольшом количестве кубитов. К некоторым из них есть возможность подключиться с помощью облачных сервисов, например, это IBM Quantum Experience, работающий на пяти сверхпроводящих кубитах. Кстати, недавно IBM объявила о запуске коммерческого сервиса квантовых облачных вычислений — IBM Q. В ближайшие годы ее основной компьютер планируют расширить до 50 кубит.
Владимир Королёв