книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики.-1

Квантовое измерение отдельного атома, состояние 0: облучение

лазером, атом излучает 108 фотонов/с. Атомный приемник настроен на лазерную волну.

Квантовое измерение отдельного атома, состояние 1: облуче-

ние лазером, атом не излучает, атомный приемник не настроен на атомную волну.

Полупроводниковые кристаллы бесспинового моноизотопного кристалла кремния 28Si, в котором атомы фосфора 31P (кубиты) расположены в линейной цепочке (модель Кейна). Кубитом служит ядерный спин ½ или электронный спин атома фосфора 31P. Число кубитов в такой архитектуре не ограничено.

Квантовые компьютеры на квантовых точках

Квантовые точки – это искусственные атомноподобные наноструктурные элементы с конечным числом дискретных энергетических уровней. На электрон, захваченный группой атомов, воздействует лазерный пучок определенной частоты и переводит его в возбужденное

состояние. Возбужденное состояние рассматривается как 1, основное состояние – как 0. Облучение лазерным пучком рассматривается как

контролируемый not-вентиль (CNOT-вентиль).

Преимущество такого подхода состоит в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами. Основными недостатками квантовых компьютеров этого типа являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояния ионов в цепочке и ограниченность возможного числа кубитов – не более 40.

Квантовый компьютер на основе сквидов – сверхпроводящих интерференционных устройств (superconductiong quantum interference devices)

При построении квантовых компьютеров на твердом теле используются следующие технологии: молекулярная эпитаксия, нанолитография и зондовая микроскопия.

Молекулярная эпитаксия позволяет создавать совершенные моноатомныеслоикристаллов,сдостижениемприэтоматомногоразмерапотолщине.

Методы зондовой микроскопии позволяют наблюдать поверхность с атомным разрешением. Зонды можно использовать как атомный манипулятор, перемещая атомы на поверхность и обратно. Зонды

321

работают как катализаторы локальных поверхностных химических реакций окисления, травления, осаждения материала. Они доставляют энергию локального возбуждения в форме электрического тока, напряжения, фотонов, механической энергии (деформации). Зонды могут измерять состояния атомных частиц.

Методы электронно-лучевой нанолитографии с разрешением 1–10 нм можно использовать при создании атомных структур квантовых компьютеров.

Квантовый компьютер на основе вакуумной технологии удержания ионов и атомов в ловушках

Используется размещение ионов или атомов в области минимума потенциала, создаваемого системой электродов и электромагнитных полей. Для подавления теплового движения атомов используется технология лазерного охлаждения.

Оптические пинцеты – определенная конфигурация лазерных лучей, удерживающая атомы или ионы в определенном положении.

Квантовый компьютер на оптических фотонах

Способ представления кубитов – использование поляризации фотонов. Роль логических элементов выполняют светоделительные элементы. Измерения осуществляются детектированием отдельных фотонов. Инициализация кубитов – поляризация фотонов.

Фотоны недостаточно сильно взаимодействуют с окружением. Использование перепутывания состояний. Детектирование одиноч-

ных фотонов представляет крайне сложную задачу. Управлять отдельными фотонами трудно.

12.7.СОСТОЯНИЕ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ДО 2012Г.

На рубеже XXI вв. во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, в которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов). Очень скоро был реализован жидкостной ЯМР-квантовый компьютер (до 7 кубитов, IBM, И. Чанг).

В России разработкой вопросов физической реализации квантового компьютера занимается ряд исследовательских групп, ядро которых составляет школа академика К.А. Валиева: Физико-технологический ин-

322

ститут РАН (лаборатория ФКК), МГУ (ф-т ВМК, кафедра КИ, физический ф-т, кафедра КЭ), МФТИ, МИФИ, МИЭТ, КГУ, ЯрГУ, а также ряд сотрудников институтов РАН (ИТФ, ИФТТ) и других вузов.

В2005 г. группой Ю. Пашкина (кандидат физико-математичес- ких наук, старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости г. Москвы) с участием японских специалистов был построен двухкубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах. Примерно в это время до десятка кубитов было сделано на ионах в ловушках Пауля (Д. Вайнленд, П. Цоллер, Р. Блатт).

Вноябре 2009 г. физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубитов.

Вфеврале 2012 г. компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений

сиспользованием сверхпроводящих кубитов, которые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера.

Вапреле 2012 г. группе исследователей из Южно-Калифорний- ского университета, Дельфтского технического университета, Университета штата Айова и Калифорнийского университета (Санта-Барбара), удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с азотными примесями (см. далее NV-центры в прил. 2). Компьютер функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азота соответственно. Для обеспечения защиты от влияния декогерентности была разработана целая система, которая формировала импульс микроволнового излучения определенной длительности и формы. При помощи этого компьютера реализован алгоритм Гровера для четырех вариантов перебора, что позволило получить правильныйответс первой попытки в 95 % случаев.

12.8.РАЗРАБОТКИ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ПОСЛЕ 2012Г.

Запись и считывание данных из кремниевого кубита4

Как говорится в статье, опубликованной в журнале Nature, австралийская группа физиков под руководством Андреа Морелло (Andrea Morello) из университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (Австра-

4 Lee C. Bassett, David D. Awschalom // Nature.

323

лия) изготовила полноценный кубит из пластинки кремния и атома фосфора и впервые использовала его для записи и считывания инфор-

мации (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Полноценный кубит из пластинки кремния и атома фосфора, использованный для записи и считывания информации

(© Lee C. Bassett, David D.Awschalom // Nature)

Кубитом может быть спин электрона, принимающий состояния, условно называемые «верх» и «низ». Для своей работы компьютеры должны уметь менять состояние спина, т.е. записывать информацию, и отслеживать это изменение, таким образом считывая обработанные данные.

Ключевым компонентом нового устройства является набор микроэлектродов, генерирующий микроскопическое магнитное поле, пульсирующее с частотой в 30 ГГц. Это поле взаимодействует с электронами в атоме кубита и меняет их спин, тем самым записывает новую информацию до начала очередного цикла операций.

По словам ученых, такие кубиты способны функционировать без внешнего вмешательства в течение 200 мкс. Этого времени хватает на совершение около тысячи манипуляций, что достаточно для проведения несложных вычислений и опытов. Другим положительным качеством этих кубитов является их относительная дешевизна – их можно «печатать» при помощи современных технологий изготовления кремниевых микрочипов.

Морелло и его коллеги отмечают, что длительность работы таких кубитов можно многократно улучшить, снизив долю примесей в кремнии и усовершенствовав конструкцию электродов.

324

«Нам впервые удалось продемонстрировать способность представлять и манипулировать кубитом, управляя спином электронов в атоме. Это ключевой шаг на пути создания кремниевого квантового компьютера на основе единичных атомов-кубитов», – заключает один из участников исследования Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak) из университета Нового Южного Уэльса.

Физики научились записывать и считывать данные из кремниевого кубита.

По словам Дзурака, его лаборатория уже разработала и запатентовала технологию, которая позволяет производить чипы с тысячами и миллионами подобных кубитов, взаимодействующих друг с другом, при помощи тех же технологий, которые уже существуют сегодня.

Создание кремниевого модуля из двух кубитов для квантового процессора5

Как говорится в статье, опубликованной в журнале Nature, австралийские физики создали первый полноценный вычислительный модуль из двух кремниевых кубитов, способный выполнять квантовый аналог логической операции ИЛИ.

«Удалось совершить первое вычисление внутри квантового кремниевого чипа, используя те технологии, которые применяются сегодня в полупроводниковой индустрии. Нам удалось достичь этого, используя обычные транзисторы, которые мы перестроили таким образом, что через них мог проходить только один электрон», – заявил Эндрю Дзурак из университета Нового Южного Уэльса (Австралия).

Дзурак и его коллега по университету Андреа Морелло уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного квантового компьютера. Так, в 2010 г. они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 г. – полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора. В 2013 г. они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100%-ной точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго.

Замена атома фосфора на редкий изотоп кремния – кремний-29 и изменение структуры кубита сделали его похожим на обычный полевой транзистор. Объединили два подобных кремниевых кубита, расположив их рядом и соединив их затворы друг с другом. Создан-

5 По материалам работы [4].

325

ная структура представляет CNOT-вентиль – квантовый аналог устройства, исполняющего операцию ИЛИ в классических микросхемах

(рис. 12.3, 12.4).

Рис. 12.3. Схема двухкубитового кремниевого модуля для операции ИЛИ (© UNSW)6

Рис. 12.4. Изображение двухкубитового кремниевого модуля (© UNSW)

Здесь представлен двойной логический элемент, который использует одиночные спины электронов в изотопически обогащенном крем- нии-14 и реализуется путем выполнения одно- и двухбитовых операций

всистеме квантовых точек с использованием обменного взаимодействия. Реализованы ворота CNOT с помощью управляемых фазовых операций

всочетании с однокубитными операциями. Прямое управление затвором обеспечивает однозначную адресацию, а также переключаемое обменное

взаимодействие, которое используется в двухцилиндровом вентиле с управляемой фазой. Независимо просматривая оба кубита, измеряют четкие антикорреляции в двухспиновых вероятностях затвора CNOT.

6 По материалам работы [4].

326

Первый в России элемент квантовых компьютеров7

Ученые изЛаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, Российского квантового центра, МИСиС и ИФТТ РАН создали первый в России сверхпроводящий кубит – основной элемент будущих квантовых компьютеров. Основная часть работ по созданию устройства была выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования МФТИ.

Квантовые биты, или кубиты – главный составной элемент будущих квантовых компьютеров. На рис. 12.5 показана фотография кубита микронного размера.

Рис. 12.5. Кубит под электронным микроскопом с увеличением в 16 тысяч раз (© Ivan Khrapach / RQC,

MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics)

Джозефсоновские контакты состоят из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Электроны благодаря квантовым эффектам могут«просачиваться»(туннелировать) сквозь диэлектрик.

Кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, ведут себя как атомы. Они могут находиться в основном и возбужденном состоянии, излучать и поглощать фотоны. Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано современное производство микросхем. Такой кубит создан сотрудниками лаборатории искусственных квантовых систем (ИКС) Междисциплинарного центра фундаментальных исследований МФТИ под руководством профессора Олега Астафьева совместно с Центром кол-

7 Ivan Khrapach / RQC, MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics.

327

лективного пользования МФТИ. В эксперименте также участвовали сотрудники лаборатории сверхпроводящих квантовых цепей Российского квантового центра (РКЦ) под руководством профессора Алексея Устинова и лаборатории сверхпроводимости Института физики твердого тела (ИФТТ) РАН под руководством профессора Валерия Рязанова. Оборудование для получения кубита показано на рис. 12.6.

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.

328

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 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).

329

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

с49 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».

330