«Атомная бомба XXI века»: ученые объясняют технологию создания квантового компьютера

Но квантовые компьютеры нужны не только для военных целей – они необходимы для решения задач в области квантовой химии, оптимизации финансового моделирования, обучения искусственного интеллекта. С помощью квантовых алгоритмов можно рассчитывать параметры сложных молекул, лекарств, новейших материалов – например, для авиастроения.

Если продолжить сравнение квантовой машины с атомной бомбой, то следует вспомнить, что при общем названии вариантов таких бомб было множество и они сильно различались между собой. Например, бомба, сброшенная на Хиросиму, была сделана по пушечной схеме из высокообогащенного урана, а сброшенная на Нагасаки – по имплозивной схеме с обжатием плутония сферической сходящейся ударной волной. Точно так же сейчас – при едином принципе работы – существует несколько концепций построения квантового компьютера. Главные технологии, на которых сосредоточены все усилия, – это ионные ловушки, нейтральные атомы, фотоны и сверхпроводящие кубиты. Никто точно не знает, какая из технологий в итоге «выстрелит», поэтому развивать приходится все. Пока мы, как и с отечественным атомным проектом, по некоторым направлениям отстаем от стран – лидеров квантовой гонки на три-пять лет, но уже постепенно нагоняем конкурентов.

Ближе всех к цели подошла группа Николая Колачевского из совместной лаборатории Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Российского квантового центра (РКЦ), занимающаяся квантовыми компьютерами на ионах. Мы поговорили о работе над этим проектом с заместителем руководителя научной группы Ильей Семериковым.

В традиционных компьютерах единицей информации является бит, а в квантовых – кубит. В отличие от традиционного бита кубит в квантовом мире не обязан быть в одном состоянии: он может быть в любой комбинации из них – в квантовой механике это называется суперпозицией. Четыре классических бинарных бита имеют 24 конфигураций в одном из 16 состояний. А четыре кубита могут быть одновременно во всех 16 состояниях. Чтобы описать состояние системы из четырех кубит, нужно 16 чисел. И это количество возрастает экспоненциально с каждым новым кубитом. Так, для описания 20 кубитов уже понадобится хранить около миллиона значений одновременно, а для 300 потребуется больше чисел, чем атомов во Вселенной.

Еще одно странное свойство кубитов – запутанность: каждый запутанный кубит мгновенно реагирует на изменение состояния другого кубита, как бы далеко друг от друга они ни находились. Измерив один запутанный кубит, мы можем узнать состояние другого, связанного с ним. Чтобы объяснить это явление людям, незнакомым с квантовой физикой, обычно используют сравнение с носками. Представьте, что у вас есть пара квантово связанных носков, разнесенная по разным континентам. Тогда если на одном континенте кто-то наденет носок на правую ногу, то на другом континенте второй носок мгновенно окажется на левой.

Квантовый компьютер Ильи Семерикова расположен в подвальном помещении ФИАН на Ленинском проспекте и напоминает нагромождение лазеров, линз и камер – в общем, классическую лабораторную установку из мира квантовой оптики. На черном фоне монитора выстроились в одну линию 10 светящихся белых точек – это и есть связанные ионы. Прогресс в области квантовых технологий ошеломляющий. Когда я договаривался с Ильей о встрече, у него был 16-кубитный квантовый компьютер, а когда доехал – уже 20-кубитный.

Когда речь заходит о квантовых вычислениях, люди прежде всего смотрят на число кубит, потому что это понятная метрика. Тут работает обратная связь: ученые понимают, что успешность их работы оценивают по количеству кубит, и начинают это количество увеличивать: в США так делают, чтобы понравиться инвесторам, в России – правительству, в Китае – партии. Но на самом деле важна комбинация параметров. Нельзя сказать, что число кубит – какая-то бессмыслица, нет, это действительно одна из главных характеристик. Но не менее значимо качество операций.

Квантовые вентили делятся на два вида: одно- и двухкубитные. Однокубитные операции «дешевые»: у них маленькая ошибка. Ошибки в вычислениях независимые, поэтому, если последовательно проводить несколько операций, они складываются. И можно посмотреть, сколько сотен операций удастся провести, прежде чем ошибка станет больше 50%.

Второй существенный параметр – достоверность двухкубитных операций на массиве.

Группа Колачевского работает с кудитными операциями. Кудиты – особые квантовые системы, которые могут одновременно находиться в более чем двух состояниях и выполнять, в частности, двухкубитные операции. По сути, кудит является усовершенствованной версией кубита. В чем их преимущество?

Кудитных универсальных процессоров в мире всего два: один построен в Инсбурге, второй – у Семерикова.

Квантовыми компьютерами Илья занимается всего четыре года, до этого он шесть лет работал с квантовыми сенсорами, а начинал свой путь в науку вообще с теоретической астрофизики, сидя этажом выше в том же институте.

Первые ионы в ловушке российские физики получили в конце 2020 года, за три года дотянувшись до уровня лучших научных групп по этому направлению. В качестве рабочего тела команда Семерикова использует ионы 171-го изотопа иттербия: у них одна из самых интересных квантовых структур уровней, которые охлаждаются при помощи лазера до минимально возможной температуры – порядка милликельвина. Для сравнения: самая низкая температура во Вселенной – 2,7 К, то есть ионы в квантовом компьютере в тысячу раз холоднее.

Удерживаются охлажденные ионы в сверхнизком вакууме электромагнитными полями. «У нас один из лучших вакуумов во Вселенной», – смеется Илья. На экране компьютера светятся 10 ярких точек-ионов. «Это вчерашние, – говорит физик. – А так они у нас живут неделю. Потом один из них "цепляет" водород, и вместо чистого иттербия получается его гидрид, который мы разрушаем при помощи лазера. Иногда не получается. Тогда мы ловим новые ионы».

Ионы расположены в вакуумной камере на расстоянии порядка 5 микрон друг от друга. Цепочкаиз 10 ионов – уже 50 микрон, вполне макроскопическая величина. «Зарядка» компьютера ионами происходит при помощи небольшой трубочки, в которую забит металлический иттербий. Она разогревается до 250–300 °С, иттербий начинает испаряться, и в сторону ловушки летит нейтральный поток атомов.

Внутри ловушки они подсвечиваются лазером и происходит изотопно-селективный переход на промежуточный уровень. Вторым фотоном отрывается электрон, причем только от 171-го изотопа иттербия, который и захватывается ловушкой. Примерно через 10 секунд на экране появляется светящаяся точка. 100 секунд – и компьютер заряжен ионами. Этого хватает на неделю экспериментов. По словам Ильи Семерикова, если уйти в криогенику, то время жизни ионов станет практически неограниченным: они в ловушке могут жить годами.

Первой трудной задачей было как раз создание ловушки. Ионы в ней удерживаются электромагнитным полем, и его важная характеристика – секулярная частота, частота колебаний ионов. В первой ловушке она составляла 1,5 МГц, в новой достигает 4,4 МГц. К тому же поле должно быть с низкими шумами, оно характеризуется темпами нагрева по числу фононов (квазичастица, квант энергии согласованного колебательного движения атомов) в секунду. Вот, например, в старом устройстве число темпа нагрева достигало 10 тыс. фононов в секунду, а в новом – всего 10, как у лучших ловушек в мире.

Вторая сложность – лазер, при помощи которого производятся одно- и двухкубитные операции. Берут обычный коммерческий лазер с шириной линии порядка нескольких мегагерц и при помощи специальных техник уменьшают ее до 1 Гц. Для этого команде Семерикова пришлось создать ультрастабильный оптический резонатор, который помещается в вакуумную камеру с температурой стабильности 10–6 градусов.

Еще одна задача – автоматическая калибровка. В российской установке сотни параметров, и все нужно контролировать. Несколько десятков уже удалось автоматизировать, остальные ждут своей очереди. После этого Илья хочет перейти от оптического набора кудитов к радиочастотному, что увеличит время когерентности и позволит делать больше операций. Например, у квантовых компьютеров на сверхпроводниках время когерентности составляет порядка 0,5 мс, а у компьютеров на ионах – 20 мс, что в 40 раз лучше. На радиочастотных кубитах можно будет довести время до часа. После этого Семериков собирается заняться повышением уровня достоверности операций.

«А что дальше?» – спрашиваю я. «Увеличивать количество кубит. – У Ильи на все готов ответ. – Над этой задачеймы тоже работаем: конструируем планарные ловушки».

Дело в том, что произвольно увеличивать цепочку ионов нельзя: теряется связанность. После 30 ионов проводить двухкубитные квантовые операции практически невозможно. Если надо работать с большим числом, приходится переходить на планарные ловушки, в которых ионы располагаются над поверхностью специального чипа, – что-то вроде обычных компьютерных микросхем, но сделанных по совершенно иной технологии. Требуются относительно большие элементы микронного, а не нанометрового размера и очень толстые диэлектрики. Но нельзя прийтина фабрику и сказать: «Ребята, сделайте мне, пожалуйста, вот такое же, только с толщиной диэлектрика 10 микрон». Тем не менее нам удалось найти тех, кто умеет работать с подобными величинами, и не за границей, а в России. Первую партию сложных ловушек уже изготовили в столичном МИЭТе.

Квантовый компьютер – штука недешевая. Мы ходим с Ильей вокруг установки, и я интересуюсь стоимостью компонентов. Например, за оптический стол, на котором все смонтировано, пришлось заплатить около 1,3 млн руб. Он должен быть очень стабильным, «развязан» от пола, внутри – сложная сотовая структура. И это далеко не самая дорогая часть. Измеритель длин волн, который для всего мира выпускает компания из новосибирского Академгородка, продается за 10 млн. Оптический резонатор, который ребята собирают сами, обычно стоит под 20 млн. За лазеры для считывания состояний атомов тоже просят 20 млн; раньше их покупали в Германии, а теперь в Китае.

То есть оборудование всего для одной установки обходится минимум в 300 млн руб., а таких установок нужно несколько. Отдельная гордость Ильи – локализация: весь его квантовый компьютер можно собрать из отечественных и китайских комплектующих, так что санкции нашим физикам нипочем.