Российский квантовый компьютер

Российский квантовый компьютер

Подглядываем за квантовым миром с помощью могучих приборов и светлых умов.

За последние сто лет нам стало намного труднее верить физикам. Классическая механика приучила человечество к тому, что любые события окружающего нас мира можно описать относительно простыми формулами и предсказать с абсолютной точностью. Квантовая механика спутала все карты, ученые все чаще признаются, что ничего не знают, а научная картина мира напоминает запутанную сказку без картинок, написанную на непонятном языке высшей математики. И все же, как бы невероятно это ни звучало, квантовый мир настолько реален, что его можно буквально потрогать руками. Нам в этом помогли специалисты Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» Евгений Глушков и Кирилл Шульга, которые работают над элементной базой квантового компьютера. Лаборатория была основана известным российским физиком Алексеем Устиновым на средства мегагранта Правительства РФ, при поддержке Российского квантового центра. Проводимые в ней исследования позволят нам использовать явления недоступного и неосязаемого квантового мира на практике для решения вполне макроскопических задач.

Нелегкая теория

Чтобы разобраться, чем именно занимаются молодые ученые в их лаборатории, необходимо вскользь коснуться теории. Слово «вскользь» здесь как нельзя кстати. Ричард Фейнман когда-то сказал: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы ее не понимаете», и с тех пор мало что изменилось. Квантовым явлениям невозможно подыскать образные аналогии из привычного нам макромира, поэтому их трудно себе представить и осознать.

Сердце эксперимента Сердце эксперимента На печатной плате располагается чип. На нем можно рассмотреть светлые квадратики — это площадки, на каждой из которых в окружении множества сверхпроводящих колечек располагается кубит. Отходящие от них прямые отрезки — не что иное, как резонаторы.

Квантовые свойства характерны для микроскопических объектов. Классический пример — элементарные частицы (электрон, фотон). Важнейшая для нас характеристика квантовых объектов — это способность находиться в суперпозиции. Если в привычном нам макромире вещь или есть, или ее нет, то квантовый объект может одновременно существовать во всех возможных состояниях и находиться во всех возможных местах.

Одна из самых наглядных интерпретаций суперпозиции — электронные облака из школьного курса химии. Эрвин Шредингер, один из основоположников квантовой механики, говорил об электроне, «размазанном» по пространству. Тем не менее можно говорить о вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства.

Бит классического компьютера может находиться лишь в двух состояниях: 0 и 1. Состояния квантового бита (кубита) — это все точки между 0 и 1, причем в суперпозиции (то есть одновременно во всех этих состояниях). На этом основан принцип квантового параллелизма — один из двух столпов квантовых вычислений. Если мы хотим, чтобы классический компьютер выполнил несколько операций за один такт, нам приходится использовать несколько ядер (читай — несколько компьютеров). Квантовый компьютер может обработать множество значений за один такт, так как параллельные вычисления заложены в самой природе квантового мира.

Однако при вычислениях мы общаемся с кубитом на обычном двоичном языке, задавая ему начальное состояние в виде одного из двух энергетических уровней. Преимущества начинают проявляться при взаимодействии двух и более кубитов. В игру вступает второй «столп», квантовая запутанность — явление, при котором квантовые состояния двух или более объектов оказываются взаимосвязаны.

Задав начальные состояния для нескольких кубитов и заставив их взаимодействовать, мы получаем смешанное состояние кубитов, и наше преимущество перед классическим компьютером начинает расти экспоненциально. К примеру, если регистр из двух классических битов за один такт побывает лишь в одном состоянии, то регистр из двух кубитов — в четырех. Из трех — в восьми, из четырех — в 16. 64-битный регистр даст 264 состояния за один такт.

Классический регистр Классический регистр Таблица иллюстрирует состояние регистра из трех классических битов.

Работа квантового алгоритма выглядит примерно так: мы задаем двоичные начальные состояния для группы кубитов, заставляем их взаимодействовать между собой в определенных комбинациях, производим над ними логические операции (вполне классические), а по окончании действия алгоритма считываем с них двоичные значения. Что происходит при взаимодействии кубитов друг с другом — вопрос, едва ли постижимый для нашего макроскопического мозга. Но именно этот этап дает квантовому компьютеру экспоненциальное преимущество в скорости.

Важно отметить, что, согласно постулатам квантовой механики, мы не можем измерить состояние квантового объекта, не разрушив это состояние. В момент измерения все взаимодействия теряют смысл (говорят о коллапсе волновой функции), а результат носит вероятностный характер. Поэтому квантовые вычисления по природе своей вероятностны. Тем не менее точность можно повысить до приемлемых значений, совершенствуя алгоритмы и увеличивая количество измерений.

Квантовый регистр Квантовый регистр Таблица иллюстрирует состояния регистра из трех кубитов. Очевидное преимущество.

Как пощупать квант

Невозможно не задаться вопросом, как же построить компьютер из квантовых объектов? Существует несколько способов наладить общение с квантовым миром, и один из них основан на эффекте сверхпроводимости.

Собственно кубит представляет собой кольцо из алюминия, который при температурах ниже 1,18 К начинает сверхпроводить. Само колечко размером 5−10 микрон вполне макроскопично: его можно рассмотреть в мощный оптический микроскоп. Однако при сверхпроводимости в нем образуются так называемые куперовские пары (два электрона, связанные фононным взаимодействием). Именно они и являются квантовыми объектами. Важнейшее свойство куперовских пар заключается в способности действовать совокупно, образовывая бозе-конденсат — особое агрегатное состояние вещества, в котором квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне.

Присмотревшись к изображению, полученному с помощью микроскопа, можно заметить, что в трех местах кольцо разрывается. Это джозефсоновские переходы. За открытие эффекта протекания сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника, Брайан Дэвид Джозефсон получил нобелевскую премию, и совершенно заслуженно. Именно на особенностях джозефсоновских переходов строится управление кубитом и считывание его состояния.

Так выглядит кубит под электронным микроскопом. Видно, что сверхпроводящее «кольцо» на самом деле имеет форму прямоугольника. На нем нетрудно заметить три «излома» — это джозефсоновские переходы (фото Markus Jerger, KIT).

При протекании тока контакт начинает излучать электромагнитные волны. Возможен и обратный процесс — прием электромагнитных волн и соответствующее изменение энергетического уровня кубита. Мало того, достаточно длинный переход придает процессу некоторую дискретность: для того, чтобы изменить состояние кубита, необходимо послать строго определенное количество квантов магнитного поля. Таким образом, кубит реагирует строго на управляющие импульсы, а не на любое мало-мальское изменение электромагнитного поля.

Тем не менее кубит — это очень чувствительный объект, который необходимо защищать даже от самых слабых помех. Сам кубит располагается на подложке в окружении множества сверхпроводящих колечек. Это ловушки для вихрей Абрикосова — блуждающих квантов магнитного поля, возникающих в сверхпроводниках.

Подложка, содержащая кубит и ловушки, хорошо видна невооруженным глазом. На чипе располагается семь таких конструкций. Прямые линии, идущие к каждой из них, — это резонаторы. Они также сделаны из сверхпроводника и работают по принципу камертона — каждому резонатору свойственна своя частота.

Массивный инструмент на переднем плане называется бондер. Он предназначен для прикрепления проволоки непосредственно к чипу кристалла. А за ним через стекло можно наблюдать святая святых Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов — чистую комнату, в которой уже монтируется оборудование для производства микрочипов без помощи промышленных предприятий. Чистая комната позволит ученым оперативно проверять на практике идеи, связанные с топологией микрочипов.

Резонатор подходит вплотную к кубиту, но не касается его. Каждому состоянию кубита соответствует определенная частота магнитного поля, излучаемого джозефсоновскими переходами. Как только частота кубита приближается вплотную к частоте резонатора, между ними возникает связь. Резонатор захватывает часть энергии, и его частота слегка изменяется. Этого вполне достаточно, чтобы зафиксировать искомое состояние кубита на спектроскопии.

Семь кубитов, расположенных на чипе, пока что никак не связаны между собой и, соответственно, не являются квантовым компьютером. Зато они позволяют проводить семь экспериментов одновременно. Каждый резонатор настроен на свою частоту и сообщает спектрографу информацию о своем кубите.

Космический холод

Сердце исследовательской установки, на которой проводятся эксперименты с кубитами, — криостат, способный создавать чудовищно низкие температуры в десятки милликельвинов. Столь низкие температуры необходимы не столько для создания сверхпроводимости (некоторые материалы демонстрируют нулевое электрическое сопротивление при температуре жидкого азота 77 К), сколько для оберегания кубита от температурных шумов. Ведь тепло — это не что иное, как энергия материалов, находящихся рядом. Этой энергии вполне достаточно, чтобы повлиять на состояние квантового объекта.

Для создания сверхнизких температур используется криостат последнего поколения на импульсных трубках. Искомое состояние достигается в несколько этапов. Сначала температура внутри прибора опускается до 4 К — температуры сжижения гелия. В резервуарах криостата находится смесь двух изотопов гелия — гелия-4 и гелия-3. Смесь начинает циркулировать в змеевике. В результате процеживания через узкий канал и последующего расширения ее температура падает ниже 2 К.

Смесь попадает в камеру растворения. Гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние, а гелий-3, оставаясь жидким, образует пленку на его поверхности. С одной стороны, гелий-3 начинает откачиваться с поверхности, а с другой — растворяться в гелии-4. Этот процесс эквивалентен интенсивному тепловому расширению, благодаря чему температура падает до сотых долей кельвина. Именно с камерой растворения соединяется кубит.

На фото хорошо видны детали криостата, в том числе блестящая камера растворения, спрятавшаяся за синими контактами. Белый цилиндр на конце медной трубки — это катушка, посылающая кубитам возбуждающие импульсы. Внутри катушки прячется сам чип. Перед экспериментом все это будет скрыто под массивным многослойным экраном.

Цель работы Кирилла Шульги и Евгения Глушкова — со-здать совершенную технологическую среду для квантовых исследований. Явление квантовой сверхпроводимости позволило располагать кубиты на обычных чипах и управлять ими электрическим способом, в то время как другие методы физической реализации квантовых компьютеров требуют управления с помощью лазеров и даже отдельных фотонов. Квантовые исследования никогда не были так доступны, как сейчас.

Ученые борются за время жизни кубита, точнее его состояния. Если первые кубиты жили считаные наносекунды, то сегодня их состояние может оставаться стабильным в течение десятков микросекунд. Живучесть кубитов имеет критическое значение для квантовых вычислений — ведь и на придание им начальных состояний, и для работы алгоритмов, и для считывания показаний необходимо время. Большая стабильность позволит объединять больше кубитов и применять более сложные алгоритмы. А зависит время жизни, прежде всего, от степени защищенности кубита от внешних шумов.

Ближайшие эксперименты Евгения и Кирилла связаны с разработкой новых чипов, на которых кубиты смогут взаимодействовать между собой. Трудно представить, но именно физическое расположение кубитов на чипе может определить эффективность и гибкость их взаимодействия. Так что в захватывающей гонке за квантовым компьютером теперь можно делать ставки и на российскую команду.

Статья «Гулливер микромира» опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2014).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.