Квантовые технологии

Элементы квантовых компьютеров — кубиты — могут представлять собой самые разные объекты: холодные атомы, фотоны, дефекты в кристаллической решётке, но самым популярным и перспективным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона. Именно на базе кубитов такого типа сегодня чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Их использует для своих симуляторов компания D-Wave, на них основаны процессоры IBM и Intel. Однако пока существующие квантовые вычислители — либо симуляторы, способные решать только одну задачу, либо экспериментальные компьютеры с небольшим количеством кубитов. Ни те, ни другие пока не способны показать результаты, однозначно свидетельствующие о том, что удалось достичь квантового превосходства, — рубежа, где квантовые компьютеры покажут, что им под силу задачи, которые либо вовсе недоступны для обычных компьютеров, либо требуют значительно больших ресурсов. Главное препятствие — декогеренция, потеря кубитами квантового состояния, и неизбежные вследствие этого ошибки.

Типы кубитов

Кубиты — квантовые биты, из которых строится квантовый компьютер, — можно создавать на базе очень разных физических объектов, важно лишь, чтобы система могла находиться в состоянии суперпозиции. Это могут быть ультрахолодные атомы, сверхпроводящие квантовые цепи, фотоны и другие квантовые системы. У каждой из этих систем есть свои преимущества и недостатки.

Нейтральные атомы

В качестве кубита можно использовать атомы, в которых состояния «кодируются» в состояниях электронов. Как было рассказано в предыдущей лекции, электроны в атомах находятся в дискретном наборе энергетических состояний и могут переходить с одного уровня на другой, поглощая или испуская фотон определённой энергии.

В состояниях атомов можно кодировать информацию, например, невозбужденное состояние атома можно считать «нулём» (обозначается как |0⟩), а «единицей» — возбуждённое состояние (обозначается как |1⟩). Как любой другой квантовый объект, атом может находиться в суперпозиции этих двух состояний, а значит, может работать как кубит.

Для кубитов удобно использовать атомы с неспаренным электроном на внешней орбите, где возможны сверхтонкие (hyperfine) энергетические переходы (те же самые, что используются в атомных часах). Наиболее удобны здесь атомы цезия, лития или рубидия. 

Однако создать массив таких атомов-кубитов, привести их все в нужное состояние и удержать в нём — непростая технологическая задача. 

Прежде всего необходимо избавиться от лишнего тепла — тепловой шум не позволит контролировать состояния атомов. Для того чтобы охладить кубиты до температуры, близкой к абсолютному нулю, используется лазерное охлаждение, то есть облучение лазером определённой длины волны, который заставляет атомы поглощать и испускать фотоны, что влияет на их момент и, следовательно, на температуру.

Вторая проблема — удержать атомы на месте. Учёные подвешивают их в оптических ловушках, которые представляют собой серии скрещивающихся лазерных лучей, на пересечении которых образуются стоячие электромагнитные волны. Во впадинах этих волн и «висят» атомы. Их квантовым состоянием управляют с помощью ещё одного лазера.

Атомы в оптической решётке

При этом атомы оказываются в состоянии ультрахолодного ферми-газа, если они являются фермионами, то есть суммарный спин электронов и нуклонов в них оказывается дробным. Если атомы являются бозонами (с целым спином), как, например, атомы цезия, то они переходят в состояние бозе-эйнштейновского конденсата (специфическое квантовое состояние вещества, в котором всё множество составляющих его частиц начинает вести себя как единый квантовый объект, поскольку все они обладают одинаковыми — минимальными — параметрами). Странное поведение конденсата можно наблюдать даже макроскопически — оно проявляет себя, например, в сверхтекучести жидкого гелия, в сверхпроводимости.

Поэтому газ ультрахолодных атомов используют в качестве квантового симулятора для решения задач моделирования и изучения сверхпроводимости, а также других сильно взаимодействующих систем.

Примером квантового симулятора на базе холодных атомов может служить созданное группой под руководством профессора Гарварда Михаила Лукина 51-кубитное устройство. С его помощью учёные моделировали хорошо известную квантовую систему — модель Изинга, которую обычно используют для описания магнитных свойств системы.

Схема квантового симулятора Лукина

Кубиты на NV-центрах

Разновидностью «атомных» кубитов можно считать так называемые NV-центры, или «центры окраски», в алмазах. В некоторых случаях в регулярной кристаллической решетке алмазов могут возникать дефекты, например, один из атомов углерода может быть замещён атомом азота. В этом случае рядом с азотом в кристаллической решетке возникает «пустое место», вакансия. Такого типа дефекты и называют NV-центрами, и именно они придают некоторым кристаллам алмазов желтоватый оттенок.

Вакансия заполняется электроном, чьим спином можно управлять с помощью магнитного поля. И как любой другой квантовый объект, электрон в NV-центре может находиться в суперпозиции двух спиновых состояний, а значит, может играть роль кубита.

Главное преимущество «алмазных» кубитов — хорошая устойчивость, электроны в них могут удерживать нужное состояние несколько секунд, что очень много по сравнению с другими типами кубитов. Кроме того, они могут успешно работать даже при комнатной температуре, то есть не требуют, как другие кубиты, громоздкого криогенного оборудования. Вместе с тем, пока больших установок на базе NV-центров не создано, речь идёт об отдельных логических элементах.

Нанолмазы с центрами окраски чувствительны к давлению и температуре и сегодня играют большую роль в создании квантовых сенсоров, поскольку они очень компактны и могут мерить температуру в единичной клетке.

Похожим образом работают одиночные атомы фосфора в кремнии, которыми управляют с помощью инфракрасного лазера, — кремний прозрачен в инфракрасном диапазоне. 

Хотя спиновые кубиты на базе холодных атомов, NV-центрах и атомов фосфора в кремнии достаточно удобны (они достаточно устойчивы к декогерении, могут «выживать» иногда несколько часов), создание из них больших массивов кубитов может порождать сложности. Дело в том, что для работы таких массивов необходимо «организовать» взаимодействие между электронами, например, для формирования пространственной суперпозиции. Но для формирования этой суперпозиции необходимы расстояния менее 30 нанометров, что слишком мало даже для самых современных нанотехнологических методов.

Выходом может быть создание кубитов на базе молекул. В частности, физики сейчас экспериментируют даже с кубитами на базе органических молекул — пептидов.

Сверхпроводящие квантовые цепи

Хотя у кубитов на базе единичных атомов есть ряд преимуществ, в частности, некоторые из них обладают достаточно большой устойчивостью к шумам — подавленной декогерентностью, наиболее широко применяются в качестве кубитов системы на базе так называемых искусственных атомов, главным образом сверхпроводящие квантовые системы.

Такие системы, как и кубиты других типов, могут находиться в состоянии суперпозиции, однако имеют значительно большие размеры, для изготовления их могут использоваться стандартные для современной микроэлектроники технологии литографии и напыления. 

Ключевым элементом таких сверхпроводниковых кубитов является джозефсоновский контакт размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Он представляет собой два слоя проводника (сверхпроводящего металла), разделённые тонким слоем диэлектрика, чаще всего оксида металла. Прежде считалось, что сверхпроводящий ток не может преодолевать этот слой, однако в 1962 году Брайан Джозефсон обнаружил, что ток может течь через барьер диэлектрика.

Электроны (а точнее, куперовские пары) могут переходить из одного слоя металла в другой сквозь диэлектрический слой оксида благодаря квантовому эффекту туннелирования, и в закольцованном проводнике ток может течь бесконечно долго. Состояние контактов Джозефсона очень чувствительно к магнитным полям, поэтому их используют в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров (SQUID).

Кроме того, состояние джозефсоновских контактов начинает квантоваться, то есть в состоянии кубитов появляются чётко выраженные уровни, связанные с направлением циркулирующего тока (у потоковых кубитов), электрическим зарядом (зарядовые кубиты) или его фазой (фазовые кубиты). Управлять такими кубитами можно с помощью микроволнового излучения.

Технология создания сверхпроводящих кубитов 

Обычно джозефсоновский переход формируется при помощи напыления алюминия на подложку кремния или сапфира через маленькие (с размерами от 30 до 300 нанометров) окошки (маску), сделанную при помощи электронной литографии.

Алюминий разогревается в вакуумной установке до высоких температур, испаряется и затем осаждается на подложке. После напыления тонкого слоя алюминия (толщиной несколько десятков нанометров) на подложку он окисляется в кислородной атмосфере, и формируется слой диэлектрика, близкого по химической формуле к сапфиру. Затем сверху напыляется другой слой алюминия, формируя два металлических слоя сверхпроводника, разделённых туннельным барьером.

Принцип работы сверхпроводникового кубита продемонстрируем на примере, так называемого зарядового кубита, схематически изображённого на рис. 4. Кубит представляет собой маленький металлический островок, соединённый с другим, обычно заземлённым, слоем металла через тонкий слой изолятора. Начнём со случая незаряженного (электрически нейтрального) острова и договоримся называть его состоянием |0⟩. Минимальный заряд, который мы можем добавить в остров, — один элементарный заряд (в случае сверхпроводника элементарный заряд — это пара электронов — куперовская пара). Это состояние мы будем называть |1⟩. На рис. 4 изображены уровни энергий обоих состояний. Наличие таких уровней энергий позволяет нам называть такую систему искусственным атомом. Если мы ограничим возбуждения нашей системы двумя нижними состояниями (|0⟩ и |1⟩), то система будет работать как квантовый бит. 

 

Такая квантовая система обычно относительно большая с характерными размерами от 1 до 100 микрон, что намного больше размеров минимальных элементов современных интегральных схем (с размерами десятки нанометров). Джозефсоновский переход настолько маленький, что его нельзя разглядеть в оптический микроскоп. И, как уже отмечалось, его изготовление требует использования методов нанотехнологии, в частности, электронной литографии.

В отличие от естественных атомов, для того чтобы манипулировать состояниями кубита, прикладываются короткие импульсы сверхвысокой частоты (СВЧ), которые могут индивидуально подводиться к каждому кубиту специальной полосковой линией на чипе. На рисунке 3 показано типичное микроволновое оборудование (генераторы СВЧ, генераторы коротких импульсов, СВЧ-анализаторы цепей, СВЧ спектральный анализатор, быстрые оцифровщики сигналов и др.), которое используются для контроля и манипуляций сверхпроводниковыми квантовыми системами. 

Преимуществом сверхпроводящих кубитов, помимо технологичности, является относительная простота создания на их базе логических элементов — кубитов, способных работать «вместе» в качестве элементарных логических вентилей. На базе сверхпроводниковых цепей создаются большие квантовые системы, насчитывающие тысячи кубитов.

«Рукотворность» сверхпроводящих кубитов, однако, является и их главным недостатком: если атомы можно считать абсолютно одинаковыми, то даже самые продвинутые технологии не позволяют создавать кубиты идеально точно. В сверхпроводниковых кубитах всегда присутствуют дефекты, которые влияют на их поведение, могут создавать ошибки и препятствовать их нормальной работе.

Квантовые вычислительные устройства

В настоящее время в разных странах разрабатываются десятки разных типов квантовых вычислительных устройств, основанных на разных типах кубитов, предназначенных для решения разных типов задач. Однако говорить о начале квантовой эры в вычислительной технике можно будет не раньше, чем квантовые компьютеры покажут свое преимущество над обычными компьютерами в решении каких-либо задач, то есть продемонстрируют квантовую «прибавку» в скорости вычислений — квантовое превосходство.

Доказать, что квантовое превосходство достигнуто, — непростая задача, поскольку одна и та же вычислительная проблема может быть решена десятками разных способов, и если квантовое устройство опережает «обычные» машины в одном случае, это может не работать для многих других методов. Пока ни одна квантовая вычислительная машина не показала абсолютного квантового превосходства. Попробуем рассказать об основных участниках этой гонки. 

Квантовые симуляторы DWave

Канадская компания DWave сегодня является единственной компанией в мире, которая поставляет на рынок коммерческие квантовые вычислительные устройства, все остальные компании пока занимаются лабораторные экспериментами.

Квантовые устройства, которые строит компания, основаны на сверхпроводящих кубитах, самые масштабные из них на сегодняшний день содержат до 2 тысяч кубитов. Однако это не универсальные квантовые компьютеры, на которых можно было бы запустить любой квантовый алгоритм, а квантовые симуляторы, устройства, приспособленные для решения одного класса задач.

Симуляторы DWave, которые купили для экспериментов Google, NASA и компания «Локхид Мартин», приспособлены для решения задач оптимизации — поиска минимума некоей очень сложной функции с помощью алгоритмов так называемого квантового отжига.

Специалисты Google, экспериментируя с установками DWave, объявили, что им удалось достичь квантового превосходства. Они сообщили, что решили задачу квантового отжига быстрее, чем на классическом компьютере. Однако специалисты отнеслись к этому объявлению скептически — существуют и классические алгоритмы, которые могут решить эту задачу быстрее.

Квантовые компьютеры IBM

Компания разрабатывает собственные универсальные квантовые компьютеры на несколько десятков кубитов. Важным шагом компании стало то, что она открыла доступ к экспериментам для этих устройств для всех желающих программировать и проверять свои алгоритмы и программы на этом устройстве.

Ошибки и декогеренция

Главная проблема на пути создания квантовых компьютеров — декогеренция кубитов, которая приводит к потере состояния суперпозиции под действием внешних факторов (излучений, тепла, вибраций). 

Для многих типов кубитов время, в течение которого они могут оставаться в заданном состоянии, измеряется миллисекундами. Нужно при этом учесть, что для вычислений кубиты квантового компьютера должны взаимодействовать друг с другом, что тоже потенциально может вызвать декогеренцию. Проблема эта сильно усложняется, когда речь идёт о многокубитных устройствах.

Инженеры и физики сейчас стремятся всеми способами увеличить время жизни кубитов, чтобы это позволило успеть просчитать нужную задачу.

Однако полностью избавиться от декогеренции невозможно, поэтому физикам приходится придумывать алгоритмические способы коррекции ошибок. Один из таких способов — «поверхностный код» (surface code) — разработал физик Алексей Китаев.

Суть этого алгоритма состоит в том, что кубиты размещаются в шахматном порядке на плоскости, при этом «белые» — это кубиты, которые используются для логических операций, а «чёрные» — для контроля ошибок. В некоторых устройствах практически все кубиты занимаются не вычислениями, а проверками и коррекцией ошибок, то есть несколько тысяч физических кубитов образуют один логический кубит. При этом для получения действительно полезных результатов квантовые компьютеры должны состоять из сотен логических кубитов.