Потрогать квантовую механику

«Чердак» узнал, как далеко продвинулись создатели квантового компьютера

Фото с сайта berkeley.edu

Словосочетание «квантовый компьютер» мы сегодня слышим так часто, что непонятно, почему их еще не продают в магазинах. Что это на самом деле такое, зачем они нужны и как скоро появятся, «Чердаку» рассказал завлабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС, сотрудник РКЦ, завкафедрой Технологического института Карлсруэ Алексей Устинов

— Что такое квантовый компьютер и зачем он вообще нужен?

— Существуют два совершенно разных устройства — «универсальный квантовый компьютер» (УКК) и квантовый симулятор. УКК был теоретически разработан еще в 90-е годы ХХ века. Одним из его преимуществ является способность очень быстро выполнять сложные алгоритмы разложения числа на простые множители (так называемый алгоритм факторизации Шора). Такие задачи возникают, например, в криптографии, при шифровании и расшифровке информации. («Чердак» подробно писал, как алгоритм Шора может здорово облегчить реальную жизнь.)

Еще задолго до этого Ричард Фейнман теоретически обсуждал возможность построения квантовых симуляторов, разработкой которых занялась в последние годы компания D-Wave (недавно многие СМИ сообщили, что ей удалось построить квантовый компьютер — «Чердак» разбирался, так ли это). На квантовом симуляторе нельзя решать те задачи, из-за которых возник такой большой интерес к УКК, например на нем невозможно выполнять алгоритм Шора.

— Зачем вообще нужны УКК, если они не могут выполнять «обычные» для квантовых компьютеров задачи?

— У квантовых симуляторов есть свои преимущества: они могут решать задачи, недоступные для обычных компьютеров. Например, задачи оптимизации при очень большом числе параметров. Типичный пример — задача коммивояжера), когда необходимо проложить оптимальный маршрут к миллиону покупателей, у каждого из которых есть сложный набор параметров.

Такие задачи возникают, например, при создании новых материалов, когда необходимо найти состояние с минимальной энергией у системы, у которой имеется очень много параметров и связей.

Например, компания Microsoft заинтересована в таких проектах для решения задачи искусственного фотосинтеза.


— Что вообще такое квантовый симулятор?

— Квантовый симулятор представляет собой систему, в которой имеются элементарные блоки, связанные между собой. Cвязи между блоками выполняют роль параметров. Когда система готовится к работе, она сначала «падает» в состояние с минимальной энергией. Затем вычислитель (оператор устройства) начинает менять параметры и смотрит, в какое состояние приходит вся система.

Такие задачи можно решать, например, методом отжига. Отжиг — это некоторое случайное воздействие на систему, которое переводит ее в состояние с меньшей энергией. Компьютер D-Wave, по словам его создателей, выполняет алгоритм квантового отжига, когда переходы между минимумами функции затрат могут происходить за счет квантово-механических процессов, в частности квантового туннелирования.

Команда Google решила задачу, наиболее удачно приспособленную для того, чтобы продемонстрировать колоссальные преимущества метода квантового отжига. Это не значит, что этот компьютер будет иметь такие же преимущества перед обычным компьютером в решении других задач.

— Когда можно ждать появления «полноценных» квантовых компьютеров, которые смогут решать любые вычислительные задачи?

— Я недавно еще полагал, что первые полезные эксперименты с квантовыми симуляторами будут осуществлены через пять-десять лет, но они проводятся уже сейчас. При подобных темпах, думаю, построение квантовых симуляторов — это вопрос ближайших лет.
Что касается построения УКК, который будет выполнять алгоритмы Шора, Гровера, Дойча, — для этого понадобится намного больше времени. Здесь придется решить очень сложные инженерные задачи. Кубиты (квантовые аналоги бита) живут не вечно, и для того чтобы выполнять вычисления, необходимо корректировать возникающие ошибки. Пройдет еще несколько лет, прежде чем появится путь, по которому можно будет двигаться дальше, увеличивая сложность схем.

— Что такое кубит?

— Кубит — это абстракция, которая связана с теоретическим описанием на языке квантовой механики. Если у меня есть квантовый объект, который может иметь два состояния энергии, то он может выполнять роль кубита. Фактически это непрерывно изменяющееся во времени квантовое состояние. Моя задача — создать начало такого процесса и измерить его результат. А в промежутке происходят взаимодействия моего квантового состояния с другими квантовыми состояниями. Это и есть процесс вычисления в квантовом компьютере.

— А как вообще выглядит кубит в реальности?

— Это может быть электрон со своим спином (магнитным моментом), ядро атома (ядерный спин), фотон, ион (захваченный в ловушку). Сегодня создатели квантовых компьютеров находятся в ситуации выбора «железа», и сегодня сверхпроводники явно вырвались вперед. Но полупроводники отстают от них всего на несколько лет, кроме того, очень много добились люди, занимающиеся квантовыми точками (полупроводниковые наночастицы, электрические характеристики которых зависят от их размера и формы — прим. «Чердака»). Есть работы по использованию азотных примесей в алмазе и карбиде кремния.

Окончательный выбор «железа» будет определен тем, какое решение позволит наиболее эффективно выполнять набор требований, которые в 1995 году сформулировал Дэвид ДиВинченцо, а именно: возможность идентифицировать кубиты, управлять связями между кубитами, создать начальное и измерить конечное состояние и иметь время когерентности (время, в течение которого кубит остается в заданном исследователями состоянии суперпозиции, а не изменяет его самопроизвольно, — прим. «Чердака»), по крайней мере в несколько тысяч раз больше, чем время выполнения элементарной квантовой операции.

— О каких временах мы говорим?

— Когда в 1999 году Накамура (японский физик Юсунобу Накамура, занимается изучением квантовых систем — прим. «Чердака») сделал первый эксперимент и увидел наносекундную жизнь макроскопического объекта, который живет по законам квантовой механики, было ощущение, что начинается какая-то чертовщина.

Трудно было поверить, что можно руками «потрогать» квантовую механику относительно больших объектов... За прошедшие пятнадцать лет времена жизни таких кубитов выросли в сто тысяч раз, то есть на пять порядков.


Через несколько лет мы достигнем времен порядка миллисекунд, и это время уже будет достаточным для того, чтобы строить методы коррекции ошибок.

— Какие задачи, принципиально нерешаемые на обычном компьютере, можно решить на квантовом компьютере?

— Прежде всего, это расчеты новых материалов. Когда мы рассчитываем материал, нам необходимо перевести законы квантовой механики в обычные классические уравнения и решить их на компьютере. Пространство квантовых состояний с увеличением количества взаимодействующих частиц растет как 2n, где n — количество частиц. Если мы взяли материал, где молекула состоит из двух атомов, то состояние молекулы можно посчитать. Но если мы хотим посчитать состояние более сложных молекул, требуется огромный компьютерный ресурс.

Когда эта задача будет решаться квантовыми устройствами, произойдет революция в химии и физике материалов. Будут получены новые вещества и новые материалы, которые невозможно синтезировать обычными методами.


— Какие задачи уже умеют решать существующие квантовые компьютеры?

— Сделаны первые демонстрации алгоритма Шора. Были разложены на простые множители числа 15 и 21. Сильно дальше продвинуться пока не удалось, но я думаю, что скоро будет скачок по сложности задач, которые можно решать. Сейчас дело создания УКК переходит из рук физиков в руки инженеров. Физикам становится уже немного скучно. Они поняли, как функционируют отдельные части УКК, а собрать все эти части вместе — это сугубо практическая инженерная задача.

— В чем главная сложность построения УКК?

— Противоречие между задачей очень точно контролировать кубиты и необходимостью, чтобы они долго жили. Квантовые состояния не статичны: даже если его полностью изолировать, оно все равно будет изменяться во времени. Чтобы манипулировать кубитами, нам нужно прикладывать очень короткие импульсы микроволнового поля на частоте примерно несколько гигагерц. Эти импульсные сигналы должны иметь очень точную форму и очень короткие времена. По сравнению с обычной полупроводниковой электроникой сложность управления компьютером вырастает в разы. И в этом есть challenge (англ. «вызов») для инженеров — научиться думать и строить в другом измерении, где время и амплитуда сигнала играют равные роли.

— Российские ученые и конкретно специалисты НИТУ МИСиС как-то принимают участие в создании УКК?

— В МИСиС работает первая в России лаборатория, которая стала выполнять измерения кубитов при сверхнизких температурах. Наш первый кубит, который мы измерили еще в 2013 году, был изготовлен в Германии, в лаборатории профессора Евгения Ильичева в Институте фотонных технологий (Institute of Photonic Technology), с которым мы успешно сотрудничаем. Выполнение этого весьма сложного технического эксперимента показало, что российские лаборатории могут участвовать в подобных исследованиях и конкурировать с остальным миром. Позже в МФТИ появилась группа под руководством профессора Олега Астафьева. У нас появился доступ к серьезным системам электронной литографии. Этот метод позволяет создавать микроэлектронные устройства размерами существенно меньше одного микрона, что необходимо для построения кубитных схем. Таким образом, благодаря общим усилиям Российского квантового центра, МФТИ, НИТУ МИСиС, Института физики твердого тела РАН в 2015 году в России родилась коллаборация, которая способна реализовать всю технологическую цепочку по изготовлению и измерению кубитов.

Алексей Устинов в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС. Фото: Мария Бродская/Пресс-служба НИТУ МИСиС


— Чем вы собираетесь заниматься дальше?

— Недавно я получил приятное известие, что Российский научный фонд профинансирует мой проект по изучению квантовых метаматериалов на основе сверхпроводниковых кубитов. Этот проект будет реализовываться в течение трех лет на базе НИТУ МИСиС.

— В чем суть вашего исследования?

— Отдельный кубит в некоторой степени подобен атому, но за счет искусственного происхождения он может иметь свойства, которые не присущи обычными атомам. Например, очень сильно взаимодействовать с электромагнитными полями.

Мы берем кубиты и собираем их в массивы. Такие системы пока никто в мире толком не изучал. Первый эксперимент в этой области в 2014 году был опубликован в журнале Nature Communications моей группой в сотрудничестве с группой Евгения Ильичева.

Когда мы стали изучать физику систем из многих кубитов, то получили очень интересный результат. Мы увидели коллективные эффекты синхронизации, когда кубиты начинают взаимодействовать с внешним полем «в один голос», так сказать хором. Как это «многоголосье» будет себя вести по законами квантовой механики — весьма интересный вопрос. Мы предполагаем, что в массиве кубитов можно хранить квантовую информацию более длительное время, чем в отдельных кубитах.

— Насколько велика разница?

— Надеемся для начала получить принципиальный ответ на вопрос, возможно ли это вообще. Будет очень хорошо, если для начала мы сможем увеличить время в два-три раза.

— Пригодятся ли ваши исследования инженерам — строителям квантовых компьютеров — или это чисто фундаментальная работа?

— Это одна из возможных реализаций квантового симулятора. Мы предлагаем делать расчеты на системе, эквивалентной той, что встречается в природе. Скажем, массив кубитов аналогичен массиву спинов. Если у меня есть материал, состоящий из одинаковых частиц, и эти частицы имеют магнитные моменты, то в принципе его можно рассчитать, используя массив кубитов. Вместо спинов, приготовленных природой, мы пытаемся делать их руками, собирать материал по кубикам…

— А в целом, заменят ли квантовые компьютеры привычную вычислительную технику?

— Не думаю, что квантовый компьютер может заменить обычные компьютеры в повседневной жизни. Да, он позволит решать очень сложные задачи, не решаемые другими методами, но обычные компьютеры не утратят своей роли. Когда появился автомобиль, велосипеды не исчезли.

Мы знаем, что весь мир устроен по законам квантовой механики. Мы убеждены, что математически правильно их описываем, но до настоящего времени мы никогда не могли эти законы использовать с приготовленными руками модельными объектами, чтобы в буквальном смысле «потрогать» квантовую механику. Создание квантового компьютера позволит нам понимать, как квантовый мир устроен не на уровне теории, а увидеть это своими глазами, проверить экспериментально, разобраться, как все это на самом деле работает. Мы получим инструменты, которые позволят нам понимать природу на совершенно новом уровне.
Теги:

Читать еще на Чердаке: