27.05.2015

Игры в кубиты

Российские ученые создали основной элемент квантового компьютера. Не поздно ли?

О создании сверхпроводящего кубита, логической ячейки квантового компьютера, 21 мая объявила группа исследовательских институтов России, включающая в себя Российский квантовый центр (РКЦ), Московский физико-технический институт (МФТИ при участии Технологического центра), национальный университет МИСиС, Институт физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) и другие организации. Ранее они работали с элементами, созданными в Германии.

Сразу оговоримся, что в России давно ведутся исследования различных физических систем, которые можно использовать в качестве кубитов: квантовые точки, азот-вакансии в алмазах, холодные нейтральные атомы и другие системы. Достижение, о котором идет речь, - создание именно сверхпроводящего кубита, а также готовность перейти от исследования физических эффектов в квантовых системах к практической реализации квантового компьютера.

Секреты счета

Символично, что в этом году исполняется полвека закону Мура о скорости уменьшения размера транзисторов. Транзисторы - основные элементы полупроводниковой электроники, из которых с 1950-х годов изготавливают компьютеры и другие электронные устройства. С уменьшением размера транзисторов можно все больше размещать их на чипе (интегральной схеме), и производительность компьютеров растет.

В классическом компьютере информация представлена в двоичном виде: число 0 записывается как 0, 1 - как 1, число 2 будет представлено уже последовательностью двух битов "10". В двоичной системе единицей информации является бит, который может принимать значение 1 или 0. Физически это можно реализовать, используя переключатель (триггер), у которого два положения, каждому из которых мы приписываем значения 0 и 1.

Над двоичными числами можно производить все математические операции. Например, сложение 1 и 1 даст 10 в двоичном виде, что как раз равно 2 в привычной нам десятичной системе. Двоичная запись кажется нам экзотикой, но создать машину, переключающую пять триггеров в одно из двух положений гораздо проще, чем один в десять позиций. Из таких переключателей собираются процессор, память и контроллеры в электронном устройстве.

Чем больше переключателей, тем более функциональную схему можно сделать. Чем меньше триггер, тем быстрее его переключить. Транзисторы, объединенные в большие интегральные схемы, оказались идеальными вместилищами битов. Их можно переключать со скоростью несколько миллиардов раз в секунду, а уменьшение их размеров позволяло увеличивать рабочую частоту процессоров и памяти, повышая их функциональность.

Однако размеры современных транзисторов уже настолько малы, что производительность не удается существенно поднять из-за нежелательных квантовых эффектов. Квантовые компьютеры способны кардинально изменить ситуацию.

Проквантованный бит

Впервые вопрос о том, сколько информации можно записать в состояние квантовой системы, был поставлен советским математиком Александром Холево в 1973 году. В 1980 году другой советский математик, Юрий Манин, в своей книге "Вычислимое и невычислимое" предложил идею "квантового автомата", позволяющего моделировать физические процессы в сложных системах, например, репликацию молекулы ДНК. Но настоящую популярность идея квантового компьютера обрела, когда на нее обратил внимание блестящий физик и популяризатор науки, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Ему и принадлежит сам термин "квантовый компьютер".

Минимальную единицу информации в таком компьютере назвали кубит. Реализовать его можно разными способами, но главное, что благодаря законам квантовой физики он может находиться сразу в двух состояниях 0 и 1 - это так называемый квантовый параллелизм. Даже правильнее говорить о суперпозиции состояний, где 0 и 1 сочетаются в разных пропорциях. Над такой ячейкой также можно совершать операции. При увеличении количества кубитов в процессоре квантового компьютера его мощность растет быстрее, чем при добавлении разрядов в классическом чипе. Ведь вместо двух битов в квантовом компьютере действия будут проводиться над суперпозицией уже четырех состояний 00, 01, 10 и 11.

В результате квантовый компьютер сулит для некоторых задач гораздо большую вычислительную мощность. Правда, для этого инженеры должны создать идеальные условия, чтобы точно провести операции и не позволить разрушиться квантовому состоянию до того, как получен ответ. Собственно, над этой сложной задачей и бьются сейчас ученые.

Если вы думаете, что большая мощность вам ни к чему, то вы ошибаетесь. Такие разговоры пользователи ведут уже лет двадцать, но именно быстрые процессоры позволили заменить сначала огромные серверы домашними компьютерами, а потом сделать смартфоны массовыми.

Военные ждут квантовых компьютеров, чтобы расшифровать секретные коды потенциальных противников. Современные протоколы шифрования рассчитаны на то, что разложение большого числа на простые множители (факторизация) займет миллионы лет - на нынешних суперкомпьютерах. Но для квантового компьютера это перестанет быть проблемой, коды будут раскрыты.

Фальстарт канадцев

Квантовые вычисления еще находятся на начальном этапе, однако в прошлом году мы уже ощутили, что квантовый компьютер становится зримым. В сентябре компания Google наняла физика Джона Мартини и его команду из Университета Калифорнии для разработки чипа, использующего квантовые вычисления. Другая новость пришла из Университета Женевы - специалистам удалось телепортировать квантовое состояние фотона в кристалл, который находился на расстоянии 25 километров от точки эксперимента.

Большое внимание сегодня привлекают и сверхпроводящие кубиты, вариант которых удалось реализовать российским ученым. Они используются в компьютере D-Wave. В этом устройстве действительно наблюдаются квантовые эффекты - некоторые кубиты оказываются в перепутанных состояниях, что подтвердила публикация в респектабельном научном журнале Physical Review X в 2014 году. Но, как выяснилось, для решаемых на этом компьютере задач квантовая механика пока не дала никаких вычислительных преимуществ.

Хотя само по себе это еще ничего не говорит о дальнейших перспективах D-Wave, его архитектура из 512 кубитов позволяет реализовать единственный алгоритм - так называемый "квантовый отжиг", позволяющий решать некоторые задачи оптимизации, сводящиеся к поиску глобального минимума. Универсальные квантовые вычисления реализовать намного труднее. Так что паниковать секретным службам еще рано.

Создание квантового компьютера - исключительно сложная и интересная задача с точки зрения современной физики. Нужно создать квантовую систему, состоящую из большого количества отдельных частиц, научиться воздействовать на квантовое состояние каждой частицы, и сделать так, чтобы состояние всей квантовой системы не разрушалось. В 1995 году Давид Ди Винченцо сформулировал критерии, которым должна соответствовать квантовая система, чтобы быть пригодной для вычислений. Она должна представлять собой массив квантовых объектов с возможностью добавления новых элементов (масштабируемость), квантовое состояние этой системы не должно быстро разрушаться, нужно уметь приводить систему в определенное начальное состояние (инициализация), выполнять логические операции над отдельными кубитами и парами кубитов (универсальные операции) и надежно измерять конечное квантовое состояние системы. Теперь физики стремятся создать систему, наилучшим образом соответствующую этим критериям.

Элементная база нового поколения

В качестве кубитов можно использовать практически любую квантовую систему, за исключением, наверное, элементарных частиц в ускорителях. Важно научиться контролировать квантовое состояние отдельных систем, не давать окружающей среде нарушить его. Интересно, что в последние десятилетия физика шла к решению этой задачи, не ориентируясь на квантовый компьютер, - это было просто интересно ученым. И в 2012 году за успехи в реализации методов управления состояниями индивидуальных квантовых систем была присуждена Нобелевская премия по физике французу Сержу Арошу, экспериментировавшему с нейтральными атомами в резонаторах, и американцу Дэвид Вайнленду, работавшему с ионами.

Применительно к вычислениям практически каждая квантовая система обладает своими преимуществами и недостатками. Понятно, что с точки зрения практического применения интересны твердотельные системы, например, квантовые точки, или азотные вакансии в алмазе, но защитить состояние квантового объекта от разрушения в твердом теле особенно трудно.

Можно кодировать информацию в состояниях поляризации отдельных квантов света, которые хорошо зарекомендовали себя в системах квантовой криптографии, но пока не очень приспособлены для квантовых вычислений. Наконец, можно использовать гибридные системы, объединяющие преимущества нескольких подходов. Универсальные квантовые вычисления могут быть реализованы и с помощью необычной архитектуры однонаправленных квантовых вычислений, когда программа кодируется в геометрии квантового регистра, а вычисление производится посредством последовательных разрушающих изменений состояний отдельных кубитов.

Особое внимание уделяется ультрахолодным нейтральным атомам, которые соответствуют практически всем критериям Ди Винченцо. В США в Университете Висконсин-Мадисон группа профессора Саффмана в 2010 году продемонстрировала выполнение самых сложных двухкубитовых логических операций с парой атомов, захваченных в оптические пинцеты. Сейчас эта группа создала квадратный массив из 49 оптических дипольных ловушек, образующихся в фокусах лазерных пучков. В каждой ловушке захватывается один атом, затем квантовое состояние атома контролируется с помощью резонансного лазерного излучения, вызывающего переходы между логическими состояниями кубитов.

В отличие от D-Wave, здесь речь идет об экспериментальной установке, пока не слишком удобной для практического применения, но зато свободной от принципиальных ограничений, присущих D-Wave. Чтобы воспользоваться преимуществами универсальных квантовых вычислений, нужно научиться бороться с ошибками.

Сейчас группа Саффмана занимается повышением точности логических операций, которая в 2014 году достигла 99,8 процентов для однокубитовых операций. Теперь предстоит добиться высокой точности и для двухкубитовых операций, и здесь можно ожидать успехов уже в этом году. Этот путь намного более долгий и сложный, чем в проекте D-Wave, зато и ожидаемый результат гораздо значимее.

Отечественный вклад

В России квантовым вычислениям уделяется большое внимание, поскольку математика и квантовая физика - традиционно сильные стороны отечественной науки. Локомотивом экспериментальной реализации квантовых вычислений в России был создатель многих советских компьютеров, директор Физико-технологического института РАН академик Камиль Валиев, автор известной книги "Квантовые компьютеры и квантовые вычисления". Так что не удивительно, что МФТИ принимал участие в создании первого сверхпроводящего кубита в России.

Однако, сверхпроводники - не единственное направление, в котором действуют российские разработчики кубитов. В Институте физики полупроводников (ИФП) им. А. В. Ржанова СО РАН в Новосибирске занимаются и квантовыми точками, и азотными вакансиями в алмазе, и ультрахолодными нейтральными атомами. В институте есть единственная в России экспериментальная установка, где реализовано лазерное охлаждение и возбуждение отдельных атомов в такие состояния, когда эти атомы начинают очень сильно друг с другом взаимодействовать. Это нужно для выполнения двухкубитовых логических операций. Экспериментальная установка состоит из вакуумной камеры с парами рубидия, полупроводниковых и твердотельных лазеров для охлаждения и возбуждения атомов, а также системы регистрации квантовых состояний, чувствительной к отдельным атомам.

Группа сотрудников ИФП под руководством доктора физико-математических наук Игоря Рябцева впервые в мире продемонстрировала резонансное диполь-дипольное взаимодействие двух отдельных атомов и показала, что можно управлять им с помощью радиочастотного электрического поля. Предполагается, что уже в ближайшее время это позволит наблюдать эффект блокады, важный для двухкубитовых операций. Теоретические работы группы, в которую входит один из соавторов данной статьи к.ф.-м.н. Илья Бетеров, направлены на близкие задачи - повышение точности захвата отдельных атомов в оптические дипольные ловушки, а также разработка оригинальных схем квантовых вычислений, где в качестве кубита используется не один атом, а атомный ансамбль. Этими работами российская группа занимается в тесной кооперации с американскими и британскими коллегами.

Разнообразие конкурирующих подходов к созданию квантового компьютера способствует успешному решению этой научной проблемы. Вполне возможно, что в будущем конкретная физическая реализация будет выбираться в зависимости от назначения квантового компьютера и особенностей решаемых на нем задач.

Квантовая неопределенность

Самый актуальный вопрос на сегодня - когда миру будет представлен первый квантовый компьютер? С одной стороны, на уровне демонстрации принципов квантовые вычисления уже реализованы - в 2012 году алгоритм Шора позволил факторизовать число 21, а адиабатический алгоритм был использован для разложения числа 143 на простые множители. С другой - создание квантового компьютера, способного превзойти современные суперкомпьютеры для решения практических задач, все еще представляется делом достаточно далекого будущего.

Считается, что нам нужно 1000 кубитов, чтобы мощность квантового компьютера была значительно больше, чем у классического. Компания D-Wave показала, что частной компании по силам сделать в короткий срок вычислительное устройство, содержащее квантовые биты, хотя полноценным квантовым компьютером оно не является.

Зачем России гонка квантовых вычислений

Проблему квантовых вычислений иногда сравнивают по сложности с разработкой атомной бомбы. Вопрос о том, возможен ли практически применимый квантовый компьютер по сей день остается открытым. Тем не менее можно оценивать темпы нашей работы.

В США уже в 2009 году были продемонстрированы первые двухкубитовые логические операции с двумя нейтральными холодными атомами. Сейчас группа из Университета Висконсин-Мадисон работает с 49 кубитами, и это большой рывок вперед. Если с таким массивом удастся получить приемлемые результаты в плане точности вычислений, то можно надеяться, что дальнейшее масштабирование будет уже не столь серьезной проблемой. Вместе с тем инвестиции в данную тематику в США несопоставимы с российскими и превышают их на порядки. Поэтому отечественные исследователи предпочитают работать в кооперации с зарубежными - это позволяет внести свой вклад в развитие данной области и одновременно держать руку на пульсе, чтобы при необходимости пойти уже по известному правильному пути.

Экспериментальная установка в ИФП СО РАН, несмотря на свою относительную простоту, позволяет детально исследовать физические эффекты, которые применяются в Мадисоне для реализации квантовых вычислений. Теоретические результаты российской группы тоже представляют значительный интерес для американцев. В то же время экспериментальные методы и теоретические расчеты американской группы активно используются специалистами из ИФП. С учетом высокой стоимости экспериментальных исследований такая кооперация исключительно эффективна. Хотя финансирования российской группе, конечно же, не хватает.

Не случайно DARPA и Google купили квантовый вычислитель (именно так называются аппараты, реализующие только один квантовый алгоритм вычислений) D-Wave - возможно, он не принесет практической пользы, но даст опыт обращения с подобными системами. Пока за состоянием дел в сфере квантовых вычислений еще можно следить по открытым публикациям в научных журналах и при личном общении со специалистами. Если же квантовые компьютеры приблизятся к практической реализации, и тематика станет "закрываться", то благодаря наличию в России действующих научных групп в данной области, можно будет определить приоритетное направление и, сделав значительные, но не чрезмерные инвестиции, наверстать отставание. Для этого понадобятся кадры. Их можно будет найти как раз в научных группах, занимающихся проблематикой квантовых вычислений. Например, соавтор статьи кандидат физико-математических наук Илья Бетеров преподает в Новосибирском государственном университете и Новосибирском государственном техническом университете и рассчитывает вырастить из студентов специалистов по компьютерам нового типа.

Илья Бетеров кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, доцент НГУ и НГТУ, рецензент журналов Американского физического общества Physical Review Letters и Physical Review A

Александр Баулин

Источники:

1. lenta.ru