Рис. 12.6. Оборудование для получения кубита
(© Ivan Khrapach / RQC, MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics)
Благодаря новейшему литографическому оборудованию, установленному в МФТИ, ученым удалось создать шесть кубитов микронного размера. Каждый из них состоит из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон. Сами контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нм.
Созданный специалистами МФТИ кубит был затем перевезен в лабораторию РКЦ, где эта работа была завершена, после чего были проведены измерения: ученые прозондировали устройство микроволновым излучением и определили, что его свойства соответствуют заданным параметрам.
«Наша работа свидетельствует, что в России теперь есть технологии и команды ученых, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров», – добавил Алексей Устинов.
Ранее группа под руководством А. Устинова в МИСиС при участии РКЦ измерила кубит, который был создан в Германии. Теперь ученые получили собственно российский кубит.
Первая в России двухкубитная схема, созданная в МФТИ
Ученые лаборатории искусственных квантовых систем и Центра коллективного пользования МФТИ впервые в России создали квантовую схему из двух кубитов. Данная работа является следующим шагом
341
на пути создания будущих квантовых компьютеров. Годом ранее группа физиков из МФТИ, ИФТТ РАН, МИСиС и РКЦ разработала первый российский кубит и схему, обеспечивающую изменение его парамет-
ров (рис. 12.7).
Рис. 12.7. Криостат растворения с установленным устройством управления кубитами
Создание квантового компьютера откроет принципиально новые возможности для обработки информации. Компьютер из нескольких тысяч кубитов сможет превзойти наиболее мощные современные суперкомпьютеры при решении целого ряда проблем. К таким вычислительным задачам относятся, в частности, криптография, задачи оптимизации в сложных системах, приложения искусственного интеллекта.
Первый в мире 51-кубитный квантовый компьютер
Группа ученых из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института под руководством Михаила Лукина, профессора физики из Гарварда и сооснователя Российского квантового центра, создала и успешно проверила программируемый квантовый компьютер на базе 51 кубита, став, таким образом, лидером среди участников квантовой гонки. Об этом сам Лукин сообщил, выступая 14 июля 2017 г. с докладом на IV Международной конференции по квантовым технологиям в Москве (ICQT-2017).
Как сообщил Лукин, выступая на конференции ICQT, он и его коллеги использовали кубиты на основе холодных атомов, которые удерживались оптическими «пинцетами» – специальным образом организованными лазерными лучами.
Лукину и его коллегам удалось решить с помощью своего квантового вычислителя задачу моделирования поведения квантовых систем из множества частиц, которая была практически нерешаема с помощью классических компьютеров. При расчете процессов термализации (охлаждения) обнаруживались неожиданно стабильные состояния вещества. Более того, в результате им удалось предсказать несколько ранее не известных эффектов, которые затем были проверены с помощью обычных компьютеров. Полученные результаты были постфактум проверены на обычных компьютерах. Ученым удалось найти способ приближенных вычислений, которые помогли получить сходный результат на классическом компьютере.
Вближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты
сквантовым компьютером. Возможно, они попытаются использовать эту систему для проверки алгоритмов квантовой оптимизации, которые позволят превзойти существующие компьютеры.
Возможности квантовых компьютеров зависят от числа кубитов. Уже несколько десятков кубитов могут дать такой выигрыш в вычислительной мощности, который недостижим для классических компьютеров. До этого момента лидером в неформальной гонке за кубиты считалась квантовая лаборатория корпорации Google под руководством Джона Мартиниса, которая планирует эксперименты на компьютере с 49 кубитами. IBM уже проводит эксперименты с 17-кубитным устройством. Создание 51-кубитного компьютера – гигантский шаг вперед в этой области (рис. 12.8).
Большинство современных квантовых компьютеров основаны на использовании сверхпроводящих кубитов на основе контактов Джозефсона.
По словам представителя IBM, которого цитирует издание Quartz, вычислительную мощность 25-кубитного компьютера можно симулировать на обычном ноутбуке. Для 45 кубитов понадобится суперкомпьютер, а при 50 кубитах «вы не сможете построить настолько крупную классическую вычислительную систему, чтобы симулировать квантовый компьютер такой мощности».
Рис. 12.8. Программируемый квантовый компьютер на базе 51 кубита группы Лукина. Кубиты на основе охлажденных атомов, которые удерживались оптическими «пинцетами» – специальным образом организованными лазерными лучами (из доклада Лукина
на IV Международной конференции по квантовым технологиям в Москве (ICQT-2017) 14 июля 2017 г.)
Множество научных групп сейчас пытаются создать универсальный квантовый компьютер, в эти проекты вкладывают средства многие правительства и корпорации, например Google, IBM, Microsoft или китайский интернет-ритейлер Alibaba. Вычислительные элементы таких компьютеров – кубиты – построены на основе квантовых объектов: ионов, охлажденных атомов или фотонов, способных находиться в суперпозиции нескольких состояний. Это позволяет квантовым компьютерам одновременно, за один такт, делать сразу множество вычислений. Например, с их помощью можно моделировать поведение сложных квантовыхсистем исоздаватьновыематериалысуникальнымисвойствами.
Физик из Google: мы близки к созданию «рабочего» квантового компьютера
В Москве прошла IV Международная конференция по квантовым технологиям ICQT-2017, организатором которой выступил Российский квантовый центр. Ведущие физики мира, занимающиеся разработкой квантовых компьютеров, технологий квантовой криптографии и систем безопасной передачи данных, представили в ее рамках главные открытия и достижения в этой области за последние годы.
Профессор Мартинис, ведущий квантовый технолог Google, рассказал на этой конференции о том, как его лаборатории движутся в сторону так называемого квантового превосходства – создания вычислительной системы на базе квантовых битов, кубитов.
344
Нужно убедиться, что параллельные вычисления внутри компьютера действительно происходят и что его мощность корректным образом увеличивается по мере наращивания числа кубитов. Если вычислительная мощность и все ресурсы в нашем компьютере будут расти экспоненциально по мере добавления в него новых кубитов, то тогда время получения правильного ответа будет снижаться аналогичным образом. Это покажет, что удалось достичь «квантового превосходства».
У научной группы Мартиниса кубиты реализованы на сверхпроводящих элементах. Гибридный подход является особым алгоритмом, который позволяет соединять большое количество кубитов, необходимых для достижения квантового превосходства, и управлять их поведением, сильно не усложняя при этом устройство всей системы. Сейчас в лаборатории тестируется 22-кубитная машина, она в целом рабо-
тает (рис. 12.9, 12.10).
Рис. 12.9. Квантовый процессор Google (Фото Julian Kelly)
Рис. 12.10. Первыйрепрограммируемыйквантовыйкомпьютер
(© ФотоShantanu Debnath and Emily Edwards)
Квантовые компьютеры больше всего помогут в изучении квантовых процессов химии. Они создаются для того, чтобы решать сложные квантовые проблемы и описывать поведение сложных квантовых систем. По текущей статистике, примерно 30–40 % мощностей современных суперкомпьютеров тратится на решение задач из квантовой химии и симуляцию процессов в квантовом мире.
Минимальный уровень производительности квантового компьютера и число кубитов, необходимых для решения таких задач, заметно снизились в последние годы.
Решение многих практически важных задач не требует наличия алгоритмов и систем коррекции ошибок, и более простые квантовые вычислительные системы можно создать уже сегодня. Проблема пока заключается в том, что мы не знаем, будет ли тот или иной «аналоговый» алгоритм работать в каждом конкретном случае из-за отсутствия строгих доказательств, существующих в мире универсальных вычислительных машин.
Квантовый компьютер помог физикам подтвердить теорию относительности. Повторяется история развития компьютерной техники в целом – на заре компьютерной эры существовало большое число эвристических алгоритмов, для которых не было доказательств, но работа с ними помогала продвигать вычислительную технику вперед.
Аналоговые компьютеры появились намного раньше их цифровых собратьев, и их очень долго использовали для решения серьезных задач, прежде чем появились современные процессоры с их огромными вычислительными мощностями. Нечто похожее будет происходить в квантовой индустрии в целом.
Кубиты и логические устройства, которые изготовляются на их базе, используют третий энергетический уровень для своей работы, и поэтому они фактически являются не кубитами, а кутритами. В целом это очень хороший подход для создания квантовых вычислительных систем с инженерной точки зрения.
Существуют и другие предложения по использованию многомерных пространств для кодирования информации, но пока у нас нет теории, которая бы описывала поведение подобных кубитов.
Эта теория нужна для того, чтобы мы могли находить и исправлять ошибки, возникающие во время работы универсального квантового компьютера. Без подобной системы коррекции ошибок мы не можем их использовать. Конечно, эти идеи интересны, но, мне кажется,
что полноценный компьютер на базе таких многоуровневых систем будет очень сложно создать.
Компания D-Wave (рис. 12.11) уже продает вычислительные мощности своих вычислительных приборов клиентам, и IBM тоже уже предлагает такие услуги.
Рис. 12.11. Квантовый компьютер компании D-Wave (© D-Wave Systems, Inc.)
Если говорить о самих системах шифрования, то существуют протоколы, защищенные от взлома при помощи квантовых компьютеров на уровне математики. Программисты активно разрабатывают их и приспосабливают для практического применения.
Группа Мартиниса на квантовом устройстве Google провела расчет колебаний в атомной решетке графена при сверхвысоких магнитных полях. Они хорошо совпали с экспериментальными данными.
Самыйбыстрыйвмиреквантовыйкомпьютер, созданныйGoogle
Компания Google создала в 2018 г. квантовый компьютер, который на сегодняшний день является самым быстрым во всем мире. Представители техгиганта рассказали о разработке во время встречи Американского физического общества. Квантовые компьютеры используются учеными для ускорения выполнения математических задач. Разработчики Google сумели создать 72-кубитное устройство. Трудностью в изготовлении подобных девайсов является влияние окружения, разрушающее квантовые соединения. Сейчас существует планка в 50 кубит (рис. 12.12). У представленной системы имеются конкуренты, однако они существенно уступают. IBM и Intel в 2017 г. уже презентовали раз-
работки 49-кубитных процессоров для квантовых компьютеров. Ученые Гарвардского университета также создали 51-кубитную технологию, а некоторые рассказали о 53-кубитном симуляторе. На практике пока тестируют новинки и исследуют определенные задачи.
Рис. 12.12. Пятидесятикубитный квантовый компьютер Microsoft
В абстрактной гонке за право прослыть первыми создателями квантового компьютера в открытых исследованиях в 2017 г. впереди была группа Лукина из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института (51-кубитный квантовый компьютер), затем Google (22-кубитныйквантовыйкомпьютер, втечениегодапланируетсязапустить 49-кубитный), далееидутисследователиIBM (17-кубитныйаппарат).
Многомерный квантовый компьютер, созданный физиками из Канады и России
«Физики из России и Канады создали первый кремниевый чип, способный и хранить в себе, и манипулировать многомерными кубитами, элементарными ячейками квантовой памяти, что позволит упростить архитектуру квантовых компьютеров и ускорить их создание», – говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
«На данный момент мы научились управлять десятью частотами. В системе из двух фотонов это обеспечило стомерность квантовых состояний. Повышая точность изготовления резонатора и электроники, отвечающей за разложение спектра, можно будет работать почти с сотней различных цветов. Именно такая тонкая настройка позволит нарастить число квантовых состояний системы», – рассказывает Роберто Морандотти (Roberto Morandotti), профессор Университета ИТМО в Санкт-Петербурге.
Кубиты представляют собой одновременно ячейки памяти и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики. Объединение многомерных кубитов в вычислительную систему позволяет быстро решать математические или физические задачи, которые при помощи перебора требуют время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.
Физики изМФТИ иРКЦ «утрамбовали» квантовыйкомпьютер
Многие ученые, втом числе иряд физиков изРоссии, пытаются увеличить количество ячеек квантовой информации внутри одного кубита. Условно говоря, такие кубиты, которые ученые называют кудитами иликутритами, могут хранить всебе неодин спектр значений, адва, три илидажебольше.
Морандотти и его коллеги из зарубежных вузов и научных учреждений создали чип, позволяющий «утрамбовывать» практически неограниченное количество квантовых данных в пары запутанных фотонов и считывать их при необходимости.
Этот чип представляет собой микрорезонатор – полое кремниевое кольцо, внутри которого свет будет двигаться по кругу, отражаясь от стенок. Чип можно построить таким образом, что определенные импульсы будут усиливаться, а другие – гаситься, что и позволяет получать лазерные импульсы с «гребенчатым» спектром, который удобно использовать для кодирования отдельных ячеек памяти.
Благодаря этому количество значений, кодируемых вподобном световом кубите, будет зависеть только оттого, насколько точно приборы смогутвидетьэтусветовую«расческу» иразличатьееотдельные«зубья».
Помимо создания квантовых компьютеров подобные резонаторы и системы кодирования сигнала можно применять и для других целей –
передачи запутанных фотонов на большие расстояния и работы сверхточных квантовых линеек. В качестве демонстрации ученые выработали пары запутанных фотонов и передали их на расстояние в 24 км, используя обычное оптическое волокно.
Главной проблемой подобных многоуровневых кубитов, как признают физики, является то, что частицы света могут периодически теряться при передаче на большие расстояния, что накладывает жесткие ограничения на максимальное число частиц, способных одновременно участвовать в вычислениях. С другой стороны, данная проблема нивелируется тем, что ученые теперь могут обходить это ограничение, повышая уровень многомерности кубитов.
«Объединив на одном чипе генерацию многомерных запутанных фотонов с их сверхбыстрой обработкой, мы показали, что квантовыми системами можно управлять посредством стандартных телекоммуникационных элементов, таких как модуляторы и частотные фильтры. Это упростит развитие и распространение технологии», – заключает Хосе Азана (Jose Azana), коллега Морандотти по Национальному исследовательскому научному институту Канады в Квебеке.
Многоуровневые кудиты для квантового компьютера8
По сообщению пресс-службы МФТИ и РКЦ, ученые из России придумали способ использования многоуровневых квантовых систем в качестве набора из нескольких одиночных кубитов, элементарных ячеек квантового компьютера, что приближает нас к созданию подобного вычислительного прибора.
«Мы получаем существенный выигрыш, поскольку многоуровневые кудиты в определенных физических реализациях контролировать проще, чем систему из соответствующего количества кубитов, а значит, мы на шаг приближаемся к созданию полноценного квантового компьютера. Многоуровневые элементы обеспечивают преимущества и в других квантовых технологиях, например в квантовой криптографии», – заявил Алексей Федоров из Российского квантового центра.
Кубиты представляют собой одновременно иячейки памяти, ивычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить всебе илогический ноль, иединицу благодаря кванто-
8 Пресс-служба МФТИ/QMQM. 2016.
