В поисках наиболее масштабируемого оборудования для квантовых компьютеров кубиты, состоящие из отдельных атомов, переживают настоящий прорыв. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Михаил Лукин (слева) был пионером идеи квантовых вычислений на основе нейтральных атомов и недавно добился значительных успехов вместе с Маркусом Грайнером.
Введение
В конце прошлого года технологический гигант IBM объявил о том, что может показаться важной вехой в квантовых вычислениях: первом в истории чипе под названием Condor, содержащем более 1000 квантовых битов, или кубитов. Учитывая, что это произошло всего через два года после того, как компания представила Eagle, первый чип с более чем 100 кубитами, казалось, что эта область стремительно развивается. Создание квантовых компьютеров, способных решать полезные задачи, выходящие за рамки возможностей даже самых мощных современных классических суперкомпьютеров, требует еще большего масштабирования — возможно, до многих десятков или сотен тысяч кубитов. Но это, безусловно, всего лишь вопрос инженерии, верно?
Не обязательно. Проблемы масштабирования настолько велики, что некоторые исследователи считают, что для этого потребуется совершенно иное оборудование, отличное от микроэлектроники, используемой такими компаниями, как IBM и Google. Кубиты в Condor и в чипе Sycamore от Google сделаны из петель сверхпроводящего материала. Эти сверхпроводящие кубиты до сих пор были зайцем в гонке за полномасштабными квантовыми вычислениями. Но теперь наступает черепаха: кубиты, созданные из отдельных атомов.
Последние достижения превратили эти «кубиты на основе нейтральных атомов» из аутсайдеров в ведущих претендентов.
«За последние два-три года прогресс был более стремительным, чем за любой предыдущий подобный период», — сказал физик Марк Саффман из Университета Висконсина в Мэдисоне, который насчитал как минимум пять компаний, стремящихся коммерциализировать квантовые вычисления на основе нейтральных атомов.
Подобно битам в обычных компьютерах, кубиты кодируют двоичную информацию — 1 и 0. Но если бит всегда находится в одном из двух состояний, то информация в кубите может оставаться неопределенной, в так называемой «суперпозиции», которая учитывает обе возможности. Для выполнения вычислений кубиты связываются с помощью явления, называемого квантовой запутанностью, что делает их возможные состояния взаимозависимыми. Конкретный квантовый алгоритм может требовать последовательности запутанностей между различными наборами кубитов, а ответ считывается в конце вычислений при измерении, сводя каждую суперпозицию к определенному значению 1 или 0.
Идея использования квантовых состояний нейтральных атомов для кодирования информации была предложена в начале 2000-х годов физиком из Гарварда Михаилом Лукиным и его коллегами, а также группой под руководством Ивана Дойча из Университета Нью-Мексико. Долгое время, по словам Лукина, широкое научное сообщество сходилось во мнении, что квантовые вычисления на нейтральных атомах — это отличная идея в принципе, но на практике она «просто не работает».
«Но спустя 20 лет другие подходы так и не привели к желаемому результату», — сказал Саффман. «А навыки и методы, необходимые для работы с нейтральными атомами, постепенно развивались до такой степени, что теперь выглядят очень многообещающими».
В лаборатории Лукина используется сложная система лазеров для перемещения и изменения состояний атомов, находящихся внутри вакуумной ячейки, скрытой в окружающей обстановке.
Лаборатория Лукина в Гарварде, работающая совместно с группой Маркуса Грайнера из Гарварда и группой Владана Вулетича из Массачусетского технологического института, находится в числе лидеров в этой области. В декабре эти исследователи сообщили о создании программируемых квантовых схем с сотнями кубитов из нейтральных атомов и о проведении с их помощью квантовых вычислений и коррекции ошибок. А в этом месяце группа из Калифорнийского технологического института сообщила о создании массива из 6100 атомных кубитов. Такие результаты все чаще убеждают сторонников этого подхода.
«Десять лет назад я бы не стал включать эти методы [с использованием нейтральных атомов], если бы делал ставки на будущее квантовых вычислений», — сказал Эндрю Стин, теоретик квантовой информации из Оксфордского университета. «Это было бы ошибкой».
Битва Кубитов
Ключевым вопросом в противостоянии между типами кубитов является то, как долго каждый тип кубита может сохранять свою суперпозицию, прежде чем она будет изменена каким-либо случайным (например, тепловым) колебанием. Для сверхпроводящих кубитов, таких как кубиты IBM и Google, это «время когерентности» обычно составляет около миллисекунды в лучшем случае. Все этапы квантовых вычислений должны происходить в течение этого временного промежутка.
Одним из преимуществ кодирования информации в состояниях отдельных атомов является то, что их время когерентности, как правило, значительно больше. Кроме того, в отличие от сверхпроводящих цепей, атомы одного типа идентичны, поэтому для ввода и манипулирования едва заметными различиями в квантовых состояниях не требуются специальные системы управления.
В то время как проводка, используемая для соединения сверхпроводящих кубитов в квантовые схемы, может стать ужасно сложной — особенно по мере масштабирования системы — в случае атомов проводка не требуется. Все запутывание осуществляется с помощью лазерного света.
Первоначально это преимущество представляло собой проблему. Существует хорошо развитая технология для создания сложных микроэлектронных схем и проводов, и одна из вероятных причин, по которой IBM и Google первоначально инвестировали в сверхпроводящие кубиты, заключается не в том, что они были очевидно лучшими, а в том, что они требовали именно тех схем, к которым привыкли такие компании, — сказал Стюарт Адамс, физик из Даремского университета в Великобритании, работающий над квантовыми вычислениями на нейтральных атомах. «Атомная оптика на основе лазеров показалась им совершенно незнакомой. Все инженерные решения совершенно другие».
Кубиты, состоящие из электрически заряженных атомов — известных как ионы — также могут управляться светом, и ионы долгое время считались лучшими кандидатами на роль кубитов, чем нейтральные атомы. Из-за своего заряда ионы относительно легко захватываются в электрических полях. Исследователи создали ионные ловушки, помещая ионы в крошечную вакуумную полость при сверхнизких температурах (во избежание тепловых колебаний), в то время как лазерные лучи переключают их между различными энергетическими состояниями для манипулирования информацией. Квантовые компьютеры на основе ионных ловушек с десятками кубитов уже продемонстрированы, и несколько стартапов разрабатывают эту технологию для коммерциализации. «До сих пор системой с наивысшими показателями точности, управления и когерентности были захваченные ионы», — сказал Саффман.
Захват нейтральных атомов сложнее, потому что им не за что держаться. Вместо этого атомы иммобилизуются в полях интенсивного света, создаваемых лазерными лучами, называемых оптическими пинцетами. Атомы обычно предпочитают располагаться там, где световое поле наиболее интенсивно.
Однако с ионами есть проблема: все они имеют электрический заряд одного знака. Это означает, что кубиты отталкиваются друг от друга. Чем больше ионов, тем сложнее разместить их в одном и том же небольшом пространстве. В случае с нейтральными атомами такого натяжения нет. По словам исследователей, это делает кубиты из нейтральных атомов гораздо более масштабируемыми.
Более того, захваченные ионы располагаются в ряд (или, как это было недавно, в виде зацикленной «гоночной трассы»). Такая конфигурация затрудняет запутывание одного ионного кубита с другим, расположенным, скажем, на 20 позициях вдоль ряда. «Ионные ловушки по своей природе одномерны, — сказал Адамс. — Их нужно располагать в линию, и очень трудно представить, как таким образом можно получить до тысячи кубитов».
Массивы нейтральных атомов могут представлять собой двумерную сетку, которую гораздо проще масштабировать. «Вы можете поместить много атомов в одну и ту же систему, и они не будут взаимодействовать, когда это не нужно», — сказал Саффман. Его группа и другие исследователи таким образом захватили более 1000 нейтральных атомов. «Мы считаем, что можем упаковать десятки или даже сотни тысяч атомов в устройство размером в сантиметр», — сказал он.
Действительно, в своей недавней работе команда из Калифорнийского технологического института создала массив оптических пинцетов, состоящий примерно из 6100 нейтральных атомов цезия, хотя они еще не проводили с ними никаких квантовых вычислений. Эти кубиты также имели время когерентности в целых 12,6 секунды, что является рекордом для этого типа кубитов на данный момент.
Блокада Ридберга
Для того чтобы два или более кубита стали запутанными, им необходимо взаимодействовать друг с другом. Нейтральные атомы «чувствуют» присутствие друг друга посредством так называемых сил Ван дер Ваальса, которые возникают из-за того, как один атом реагирует на флуктуации в облаке электронов в соседнем атоме. Но эти слабые силы ощущаются только тогда, когда атомы находятся очень близко друг к другу. Манипулировать обычными атомами с необходимой точностью с помощью световых полей просто невозможно.
Как указывали Лукин и его коллеги в своем первоначальном предложении еще в 2000 году, расстояние взаимодействия может быть значительно увеличено, если мы увеличим размер самих атомов. Чем больше энергии у электрона, тем дальше он стремится отдалиться от атомного ядра. Если лазер используется для перевода электрона в энергетическое состояние, намного превышающее те, которые обычно встречаются в атомах — так называемое состояние Ридберга в честь шведского физика Йоханнеса Ридберга, который в 1880-х годах изучал, как атомы излучают свет на дискретных длинах волн, — электрон может отдалиться от ядра в тысячи раз дальше, чем обычно.
Увеличение размера позволяет двум атомам, расположенным на расстоянии нескольких микрометров друг от друга, взаимодействовать — что вполне осуществимо в оптических ловушках.
Этот фильм, созданный командой под руководством Гарварда, демонстрирует выполнение схемы с 48 логическими кубитами, которая, по их словам, является самой совершенной схемой, когда-либо реализованной на квантовом компьютере. Группы из восьми атомарных кубитов сначала объединяются и запутываются в блоки логических кубитов с коррекцией ошибок, обозначенные красными овалами. Затем эти блоки запутываются друг с другом, создавая схему с сотнями операций логических вентилей.
Для реализации квантового алгоритма исследователи сначала кодируют квантовую информацию в паре атомных энергетических уровней, используя лазеры для переключения электронов между этими уровнями. Затем они запутывают состояния атомов, активируя ридберговские взаимодействия между ними. Данный атом может быть возбужден до ридберговского состояния или нет, в зависимости от того, на каком из двух энергетических уровней находится его электрон — только один из них находится на нужной энергии для резонанса с частотой возбуждающего лазера. И если атом в данный момент взаимодействует с другим атомом, эта частота возбуждения немного смещается, так что электрон не будет резонировать со светом и не сможет совершить скачок. Это означает, что только один из пары взаимодействующих атомов может поддерживать ридберговское состояние в любой момент времени; их квантовые состояния коррелированы — или, другими словами, запутаны. Так называемая блокада Ридберга, впервые предложенная Лукиным и его коллегами в 2001 году как способ запутывания кубитов атомов Ридберга, представляет собой эффект «всё или ничего»: либо существует блокада Ридберга, либо её нет. «Блокада Ридберга делает взаимодействие между атомами цифровым», — сказал Лукин.
В конце вычислений лазеры считывают состояния атомов: если атом находится в состоянии, резонирующем с источником света, свет рассеивается, а если он находится в другом состоянии, рассеяния не происходит.
В 2004 году группа исследователей из Университета Коннектикута продемонстрировала блокировку Ридберга между атомами рубидия, захваченными и охлажденными до температуры всего в 100 микрокельвинов выше абсолютного нуля. Они охлаждали атомы, используя лазеры для «отвода» их тепловой энергии. Такой подход означает, что, в отличие от сверхпроводящих кубитов, нейтральные атомы не требуют криогенного охлаждения и громоздких хладагентов. Поэтому такие системы могут быть очень компактными. «Вся установка находится при комнатной температуре, — сказал Саффман. — На расстоянии одного сантиметра от этих сверххолодных атомов находится температурный диапазон комнатной температуры».
В 2010 году Саффман и его коллеги сообщили о создании первого логического вентиля — фундаментального элемента компьютеров, в котором один или несколько двоичных входных сигналов генерируют определенный двоичный выходной сигнал, — изготовленного из двух атомов с использованием блокады Ридберга. Затем, что особенно важно, в 2016 году команда Лукина и исследовательские группы во Франции и Южной Корее независимо друг от друга разработали способ загрузки множества нейтральных атомов в массивы оптических ловушек и их произвольного перемещения. «Это нововведение вдохнуло новую жизнь в эту область», — сказал Стефан Дюрр из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, который использует атомы Ридберга для экспериментов по обработке квантовой информации на основе света.
В большинстве своих работ до сих пор использовались атомы рубидия и цезия, но физик Джефф Томпсон из Принстонского университета предпочитает кодировать информацию в состояниях ядерного спина атомов металлов, таких как стронций и иттербий, которые обладают еще большим временем когерентности. В октябре прошлого года Томпсон и его коллеги сообщили о создании двухкубитных логических элементов на основе этих систем.
Блокада Ридберга не обязательно должна возникать между отдельными атомами. Прошлым летом Адамс и его коллеги показали, что они могут создать блокаду Ридберга между атомом и захваченной молекулой, которую они искусственно создали, используя оптический пинцет для притягивания атома цезия к атому рубидия. Преимущество гибридных систем атом-молекула заключается в том, что атомы и молекулы имеют очень разные энергии, что может облегчить манипулирование одним из них без воздействия на другие. Более того, молекулярные кубиты могут иметь очень длительное время когерентности. Адамс подчеркивает, что такие гибридные системы отстают от систем, состоящих только из атомов, как минимум на 10 лет, и запутанность двух таких кубитов еще не достигнута. «Гибридные системы действительно сложны, — сказал Томпсон, — но, вероятно, в какой-то момент нам придется их создавать».
Высокоточные кубиты
Ни один кубит не идеален: все они могут содержать ошибки. И если эти ошибки остаются незамеченными и неисправленными, они искажают результат вычислений.
Однако серьёзным препятствием для квантовых вычислений является невозможность выявления и исправления ошибок так же, как это делается в классических компьютерах, где алгоритм просто отслеживает состояние битов, создавая их копии. Ключ к квантовым вычислениям заключается в том, что состояния кубитов остаются неопределёнными до тех пор, пока не будет считан конечный результат. Если попытаться измерить эти состояния до этого момента, вычисления будут прекращены. Как же тогда можно защитить кубиты от ошибок, которые мы даже не можем отследить?
Один из вариантов решения — распределение информации по множеству физических кубитов, составляющих единый «логический кубит», таким образом, чтобы ошибка в одном из них не искажала информацию, которую они кодируют в совокупности. Это становится практически осуществимым только в том случае, если количество физических кубитов, необходимых для каждого логического кубита, не слишком велико. Эти накладные расходы частично зависят от используемого алгоритма коррекции ошибок.
Слева направо: Саймон Эверед, Софи Ли, Александра Гейм, Михаил Лукин, Долев Блювштайн и Маркус Грайнер рассматривают экспериментальную установку в лаборатории Лукина.
Логические кубиты с коррекцией ошибок были продемонстрированы с использованием сверхпроводящих и захваченных ионных кубитов, но до недавнего времени было неясно, можно ли их создать из нейтральных атомов. Ситуация изменилась в декабре, когда группа исследователей из Гарварда представила массивы из нескольких сотен захваченных атомов рубидия и провела алгоритмы на 48 логических кубитах, каждый из которых был создан из семи или восьми физических атомов. Исследователи использовали систему для проведения простой логической операции, называемой управляемым вентилем НЕ, в которой состояния 1 и 0 кубита меняются местами или остаются неизменными в зависимости от состояния второго «управляющего» кубита. Для проведения вычислений исследователи перемещали атомы между тремя различными областями в камере захвата: массивом атомов, областью взаимодействия (или «зоной вентиля»), где определенные атомы перемещались и запутывались с помощью блокады Ридберга, и зоной считывания. По словам Адамса, все это стало возможным благодаря тому, что «система Ридберга предоставляет возможность перетасовывать кубиты и определять, кто с кем взаимодействует, что дает гибкость, которой нет у сверхпроводящих кубитов».
Команда под руководством Гарварда продемонстрировала методы коррекции ошибок для некоторых простых алгоритмов с логическими кубитами, хотя для самых сложных, с 48 логическими кубитами, им удалось лишь обнаружить ошибки. По словам Томпсона, эти последние эксперименты показали, что «они могут предпочтительно отбрасывать результаты измерений с ошибками и, следовательно, идентифицировать подмножество результатов с меньшими ошибками». Этот подход называется пост-отбором, и хотя он может играть роль в квантовой коррекции ошибок, сам по себе он не решает проблему.
Атомы Ридберга могут быть использованы для создания новых кодов коррекции ошибок. Код, использованный в работе Гарвардского университета и называемый поверхностным кодом, «очень популярен, но и очень неэффективен», — сказал Саффман; для создания одного логического кубита обычно требуется множество физических кубитов. Другие, более эффективные предлагаемые коды коррекции ошибок требуют взаимодействия на больших расстояниях между кубитами, а не только пар ближайших соседей. Специалисты по квантовым вычислениям на нейтральных атомах считают, что взаимодействия Ридберга на больших расстояниях должны справиться с этой задачей. «Я крайне оптимистичен в отношении того, что эксперименты в течение следующих двух-трех лет покажут нам, что накладные расходы не так велики, как считалось ранее», — сказал Лукин.
Хотя предстоит еще многое сделать, Стин считает работу Гарварда «качественным скачком в степени реализации протоколов коррекции ошибок в лабораторных условиях».
Выделение
Благодаря таким достижениям кубиты на основе атомов Ридберга сравнялись со своими конкурентами. «Сочетание высокоточных вентилей, большого количества кубитов, высокоточных измерений и гибких возможностей подключения позволяет нам считать массив атомов Ридберга реальным конкурентом сверхпроводящим и кубитам на основе захваченных ионов», — сказал Стин.
По сравнению со сверхпроводящими кубитами, эта технология обходится значительно дешевле. В рамках сотрудничества Гарварда и Массачусетского технологического института была создана дочерняя компания QuEra, которая уже предоставила в облаке 256-кубитный ридберговский квантовый процессор Aquila — аналоговый «квантовый симулятор», способный запускать симуляции систем из множества квантовых частиц, — в партнерстве с квантовой вычислительной платформой Amazon Braket. QuEra также работает над развитием квантовой коррекции ошибок.
Саффман присоединился к компании Infleqtion, которая разрабатывает оптическую платформу на основе нейтральных атомов для квантовых датчиков и связи, а также для квантовых вычислений. «Я не удивлюсь, если одна из крупных IT-компаний в скором времени заключит какое-либо партнерство с одной из этих дочерних компаний», — сказал Адамс.
«Масштабируемая коррекция ошибок с помощью кубитов из нейтральных атомов, безусловно, возможна», — сказал Томпсон. «Я думаю, что создание 10 000 кубитов из нейтральных атомов вполне осуществимо в течение нескольких лет». Кроме того, он считает, что практические ограничения мощности и разрешения лазера потребуют модульных конструкций, в которых несколько различных массивов атомов будут соединены между собой.
Если это произойдёт, кто знает, что из этого выйдет? «Мы ещё даже не знаем, на что способны квантовые вычисления», — сказал Лукин. «Я очень надеюсь, что эти новые достижения помогут нам ответить на эти вопросы».
Исправление: 29 марта 2024 г.
Фамилия Софи Ли, члена исследовательской группы Гарвардского университета, изначально была написана с ошибкой в подписи к фотографии.
Исправление: 2 апреля 2024 г.
В статью были внесены изменения, чтобы упомянуть, что группы Михаила Лукина и Маркуса Грайнера в Гарварде сотрудничают с группой Владана Вулетича из Массачусетского технологического института.
Источник: www.quantamagazine.org
