[Перевод] Лучшими кубитами для квантовых вычислений могут быть нейтральные атомы
Михаил Лукин (на фото слева) был пионером идеи квантовых вычислений на нейтральных атомах и недавно добился значительных успехов вместе с Маркусом Грейнером.
В поисках наиболее масштабируемого оборудования для квантовых компьютеров кубиты, состоящие из отдельных атомов, переживают решающий момент.
В конце прошлого года технологический гигант IBM объявил о том, что может показаться важной вехой в квантовых вычислениях: о первом в мире чипе под названием Condor, содержащем более 1000 квантовых битов или кубитов. Прошло всего два года после того, как компания представила Eagle, первый чип с более чем 100 кубитами. Казалось, что эта область стремительно движется вперёд. Создание квантовых компьютеров, способных решать полезные задачи за рамками даже самых мощных классических суперкомпьютеров, требует ещё большего их масштабирования — возможно, до многих десятков или сотен тысяч кубитов. Но это ведь всего лишь вопрос техники, верно?
Не обязательно. Проблемы масштабирования настолько велики, что по мнению некоторых исследователей для их решения потребуется совершенно другое оборудование, а вовсе не микроэлектроника, используемая такими компаниями, как IBM или Google. Кубиты в Condor и чипе Sycamore от Google состоят из петель сверхпроводящего материала. Эти сверхпроводящие кубиты до сих пор были зайцем в гонке за полномасштабными квантовыми вычислениями. Но теперь сзади приближается черепаха: кубиты, состоящие из нейтральных атомов.
Недавние достижения превратили эти «кубиты на нейтральных атомах» из аутсайдеров в ведущих соперников.
«За последние два-три года прогресс был более стремительным, чем за любой предыдущий такой период», — сказал физик Марк Саффман из Университета Висконсина, Мэдисон. Он насчитал как минимум пять компаний, стремящихся коммерциализировать квантовые вычисления на нейтральных атомах.
Как и биты в обычных компьютерах, кубиты кодируют двоичную информацию — 1 и 0. Но в то время как бит всегда находится в том или ином состоянии, информация в кубите может оставаться неопределённой в так называемой «суперпозиции», которая придает вес обеим возможностям. Для выполнения вычислений кубиты соединяются с помощью явления, называемого квантовой запутанностью, которое делает их возможные состояния взаимозависимыми. Конкретный квантовый алгоритм может потребовать последовательности запутанностей между различными наборами кубитов. При этом ответ считывается в конце вычислений, когда производится измерение, коллапсирующее каждую суперпозицию в определённые значения 1 или 0.
Идея использования квантовых состояний нейтральных атомов для такого кодирования информации была предложена в начале 2000-х годов гарвардским физиком Михаилом Лукиным и его коллегами, а также группой под руководством Ивана Дойча из Университета Нью-Мексико. По словам Лукина, долгое время широкое исследовательское сообщество соглашалось с тем, что квантовые вычисления на нейтральных атомах отличная идея в принципе, но на практике «они просто не работают».
«Но 20 лет спустя другие подходы не привели к успеху, — сказал Саффман. — Набор навыков и методы, необходимые для работы с нейтральными атомами, постепенно развиваются и становятся очень многообещающими».
В лаборатории Лукина сложная система лазеров используется для перемещения и изменения состояний атомов, находящихся внутри скрытой на фото вакуумной ячейки.
Лаборатория Лукина в Гарварде, работающая с гарвардской группой Маркуса Грейнера и лабораторией Владана Вулетича из Массачусетского технологического института, была среди тех, кто проложил этот путь. В декабре они заявили, что создали программируемые квантовые схемы с сотнями кубитов на нейтральных атомах и выполнили с их помощью квантовые вычисления и коррекцию ошибок. А в марте команда Калифорнийского технологического института сообщила, что они создали массив из 6100 атомных кубитов. Такие результаты привлекают все больше сторонников этого подхода.
«Десять лет назад я бы не включил методы 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
Ключевой вопрос в соперничестве между типами кубитов заключается в том, как долго каждый тип кубитов сможет сохранять свою суперпозицию, прежде чем он будет изменен каким-либо случайным (например, тепловым) колебанием. Для сверхпроводящих кубитов, таких как кубиты IBM или Google, это «время когерентности» обычно составляет в лучшем случае около миллисекунды. Все этапы квантовых вычислений должны происходить в течение этого периода времени.
Одним из преимуществ кодирования информации в состояниях отдельных атомов является то, что время их когерентности обычно намного больше. Более того, в отличие от сверхпроводящих схем, все атомы данного типа идентичны, поэтому не нужны специальные системы контроля для ввода и управления слегка разными квантовыми состояниями.
И хотя конфигурации проводов, используемые для соединения сверхпроводящих кубитов в квантовые схемы, могут стать очень сложными (особенно по мере масштабирования системы), в случае атомов никакие провода не требуются. Всё запутывание осуществляется с помощью лазерного света.
Это преимущество изначально было проблемой. В мире уже существует хорошо развитая технология изготовления сложных микроэлектронных схем и проводов. И вероятная причина, по которой IBM и Google изначально инвестировали в сверхпроводящие кубиты, заключается не в том, что они явно были лучшими, а в том, что эти компании просто привыкли к микроэлектронным схемам. Стюарт Адамс, физик из Даремского университета в Великобритании, работающий над квантовыми вычислениями на нейтральных атомах: «Лазерная атомная оптика казалась им совершенно незнакомой. Вся её инженерия совершенно другая».
Кубиты, состоящие из электрически заряженных атомов, известных как ионы, также можно контролировать с помощью света. Ионы долгое время считались лучшими кандидатами в кубиты, чем нейтральные атомы. Из-за своего заряда ионы относительно легко захватываются электрическими полями. Исследователи создали ионные ловушки, иммобилизуя ионы в крошечной вакуумной полости при сверхнизких температурах (чтобы избежать тепловых колебаний), в то время как лазерные лучи переключают их между различными энергетическими состояниями для манипулирования информацией. Квантовые компьютеры с ионными ловушками и десятками кубитов уже были продемонстрированы, и несколько стартапов разрабатывают технологию для коммерциализации. «На данный момент системы с высочайшими характеристиками с точки зрения точности, контроля и согласованности используют ионные ловушки», — сказал Саффман.
Улавливать нейтральные атомы сложнее, потому что нет заряда, который можно было бы удержать. Вместо этого атомы иммобилизуются в полях интенсивного света, создаваемых лазерными лучами, называемых оптическими пинцетами. Атомы обычно предпочитают располагаться там, где световое поле наиболее интенсивно.
А вот с ионами есть проблема: все они имеют электрический заряд одного знака. Это означает, что кубиты отталкивают друг друга. Поместить множество ионов в одно и то же маленькое пространство тем труднее, чем больше ионов в нём. С нейтральными атомами такой проблемы нет. По словам исследователей, это делает кубиты на нейтральных атомах гораздо более масштабируемыми.
Более того, захваченные ионы располагаются в ряд (или, с недавних пор, в виде петли «гоночной дорожки»). Такая конфигурация затрудняет запутывание одного ионного кубита с другим, находящимся, скажем, в 20 местах по ряду. «Ионные ловушки по своей сути одномерны, — сказал Адамс. — Вам нужно выстроить их в линию, и очень трудно понять, как таким образом получить тысячу кубитов».
Массивы нейтральных атомов могут представлять собой двухмерную сетку, которую гораздо легче масштабировать. «Вы можете поместить их много в одну систему, и они не будут взаимодействовать, когда вы этого не захотите», — сказал Саффман. Его группа и другие захватили таким образом более 1000 нейтральных атомов. «Мы считаем, что сможем упаковать десятки или даже сотни тысяч кубитов в устройство сантиметрового масштаба», — 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 ещё не проводили с ними никаких квантовых вычислений. Эти кубиты также имели время когерентности 12,6 секунды, что на данный момент является рекордом для этого типа кубитов.
Блокада Ридберга
Чтобы два или более кубита запутались, им необходимо взаимодействовать друг с другом. Нейтральные атомы «чувствуют» присутствие друг друга посредством так называемых сил Ван-дер-Ваальса. Они возникают из-за того, как один атом реагирует на колебания в облаке электронов в другом атоме поблизости. Но эти слабые силы ощущаются только тогда, когда атомы расположены очень близко друг к другу. Манипулировать обычными атомами с необходимой точностью с помощью световых полей просто невозможно.
Как указали Лукин и его коллеги в своём первоначальном предложении ещё в 2000 году, расстояние взаимодействия может быть значительно увеличено, если мы увеличим размер самих атомов. Чем больше энергии имеет электрон, тем дальше он стремится уйти от атомного ядра. Если с помощью лазера перевести электрон в энергетическое состояние с гораздо большей энергией, чем обычно наблюдается в атомах (так называемое состояние Ридберга), электрон может перемещаться в тысячи раз дальше от ядра, чем обычно. Это состояние названо в честь шведского физика Йоханнеса Ридберга, который в 1880-х годах изучал, как атомы излучают свет с дискретными длинами волн.
Такое увеличение размера позволяет взаимодействовать двум атомам, находящимся на расстоянии нескольких микрометров друг от друга, что вполне осуществимо в оптических ловушках.
В этом фильме, созданном командой из Гарварда, показано выполнение схемы из 48 логических кубитов, которая, по их словам, является самой совершенной схемой, когда-либо созданной на квантовом компьютере. Группы из восьми атомных кубитов сначала собираются вместе и запутываются в логические блоки кубитов с исправлением ошибок, обозначенные красными овалами. Эти блоки затем запутываются друг с другом, образуя схему с сотнями логических вентилей.
Чтобы реализовать квантовый алгоритм, исследователи сначала кодируют квантовую информацию в паре энергетических уровней атома, используя лазеры для переключения электронов между уровнями. Затем они запутывают состояния атомов, включая ридберговские взаимодействия между ними. Данный атом может быть возбуждён до ридберговского состояния или нет, в зависимости от того, на каком из двух энергетических уровней находится его электрон — только один из них имеет нужную энергию, чтобы резонировать с частотой возбуждающего лазера. А если атом в данный момент взаимодействует с другим, то эта частота возбуждения слегка смещается, так что электрон не будет резонировать со светом и не сможет совершить прыжок. Это значит, что только один из пары взаимодействующих атомов может поддерживать состояние Ридберга в любой момент времени; их квантовые состояния коррелированы или, другими словами, запутаны. Эта так называемая блокада Ридберга, впервые предложенная Лукиным и его коллегами в 2001 году как способ запутывания кубитов ридберговских атомов, представляет собой эффект «всё или ничего»: либо есть 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, резонансном освещению, свет рассеивается, но если он находится в другом состоянии, рассеяния нет.
В 2004 году команда из Университета Коннектикута продемонстрировала ридберговскую блокаду между атомами рубидия, захваченными и охлаждёнными до температуры всего на 100 микрокельвинов выше абсолютного нуля. Они охлаждали атомы, используя лазеры, чтобы «высасывать» их тепловую энергию. Этот подход означает, что, в отличие от сверхпроводящих кубитов, нейтральные атомы не требуют криогенного охлаждения и громоздких хладагентов. Поэтому эти системы можно сделать очень компактными. «Аппарат в целом имеет комнатную температуру, — сказал Саффман. — На расстоянии одного сантиметра от этих сверххолодных атомов у вас есть окно с комнатной температурой».
В 2010 году Саффман и его коллеги сообщили о первом логическом вентиле — фундаментальном элементе компьютеров, в котором один или несколько двоичных входных сигналов генерируют определённый двоичный выход — сделанном из двух атомов с использованием блокады Ридберга. Затем, что очень важно, в 2016 году команда Лукина и исследовательские группы во Франции и Южной Корее независимо друг от друга выяснили, как загрузить множество нейтральных атомов в массивы оптических ловушек и перемещать их по своему желанию. «Эта инновация вдохнула новую жизнь в эту область», — сказал Стефан Дюрр из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия, который использует ридберговские атомы для экспериментов по квантовой обработке информации с помощью света.
Большая часть работ до сих пор использует атомы рубидия и цезия, но физик Джефф Томпсон из Принстонского университета предпочитает кодировать информацию в состояниях ядерных спинов атомов металлов, таких как стронций и иттербий, которые имеют ещё большее время когерентности. В октябре прошлого года Томпсон и его коллеги сообщили про двухкубитные логические вентили, изготовленные на основе этих систем.
И блокады Ридберга не обязательно должны осуществляться между независимыми атомами. Прошлым летом Адамс и его коллеги показали, что они могут создать блокаду Ридберга между атомом и захваченной молекулой. Эту молекулу они создали искусственно, используя оптический пинцет, чтобы притянуть атом цезия к атому рубидия. Преимущество гибридных атомно-молекулярных систем заключается в том, что атомы и молекулы имеют очень разную энергию, что может облегчить манипулирование одними, не затрагивая другие. Более того, молекулярные кубиты могут иметь очень долгое время когерентности. Адамс подчеркивает, что такие гибридные системы отстают от чистых атомных систем как минимум на 10 лет, а запутанность двух таких кубитов ещё не достигнута. «Гибридные системы действительно сложны, — сказал Томпсон, —, но в какой-то момент нам, вероятно, придётся их реализовать».
Высокоточные кубиты
Ни один кубит не идеален: все могут вызывать ошибки. И если они остаются незамеченными и неисправленными, они искажают результат вычислений.
Но большим препятствием для всех квантовых вычислений является то, что ошибки не могут быть идентифицированы и исправлены так, как это происходит в классических компьютерах, где алгоритм просто отслеживает, в каком состоянии находятся биты, создавая копии. Ключом к квантовым вычислениям является то, что состояния кубитов остаются неопределёнными до тех пор, пока не будет считан окончательный результат. Если вы попытаетесь измерить эти состояния до этого момента, вы прекратите вычисление. Как же тогда можно защитить кубиты от ошибок, которые мы даже не можем отслеживать?
Один из ответов — распределить информацию по множеству физических кубитов, составляющих один «логический кубит», чтобы ошибка в одном из них не исказила информацию, которую они коллективно кодируют. Это становится практичным только в том случае, если количество физических кубитов, необходимых для каждого логического кубита, не слишком велико. Эти накладные расходы частично зависят от того, какой алгоритм исправления ошибок используется.
Слева направо: Саймон Эверед, Софи Ли, Александра Гейм, Михаил Лукин, Долев Блювштейн и Маркус Грайнер рассматривают экспериментальную установку в лаборатории Лукина.
Логические кубиты с исправлением ошибок были продемонстрированы на примере сверхпроводящих кубитов и кубитов на ионах, но до недавнего времени не было ясно, можно ли их сделать из нейтральных атомов. Ситуация изменилась в декабре, когда команда из Гарварда представила массивы из нескольких сотен захваченных атомов рубидия и запустила алгоритмы на 48 логических кубитах, каждый из которых состоит из семи или восьми физических атомов. Исследователи использовали систему для выполнения простой логической операции, называемой управляемым вентилем НЕ, в которой состояния (1 или 0) кубита меняются местами или остаются неизменными в зависимости от состояния второго «управляющего» кубита. Для проведения вычислений исследователи перемещали атомы между тремя отдельными областями в камере-ловушке: массивом атомов, областью взаимодействия (или «зоной вентилей»), куда определённые атомы перетаскивались и запутывались с помощью блокады Ридберга, и зоной считывания. По словам Адамса, всё это стало возможным, потому что «система Ридберга предлагает возможность перетасовывать кубиты и решать, кто с кем взаимодействует, что дает гибкость, которой нет у сверхпроводящих кубитов».
Команда из Гарварда продемонстрировала методы исправления ошибок для некоторых простых алгоритмов логических кубитов, хотя для самых крупных из них, с 48 логическими кубитами, им удалось лишь обнаружить ошибки. По словам Томпсона, эти последние эксперименты показали, что «они могут преимущественно отклонять результаты измерений с ошибками и, следовательно, идентифицировать подмножество результатов с меньшим уровнем ошибок». Этот подход называется пост-отбором, и хотя он может сыграть роль в квантовой коррекции ошибок, сам по себе он не решает проблему.
Атомы Ридберга могут быть пригодны для создания новых кодов с исправлением ошибок. Тот, который использовался в Гарвардской работе и называется поверхностным кодом, «очень популярен, но в то же время очень неэффективен», сказал Саффман. В нём для создания одного логического кубита обычно требуется множество физических кубитов. Другие, более эффективные предлагаемые коды с исправлением ошибок требуют более дальнего взаимодействия между кубитами, а не только между парами ближайших соседей. Практики квантовых вычислений на нейтральных атомах считают, что дальнодействующие ридберговские взаимодействия должны справиться с этой задачей. «Я чрезвычайно оптимистичен в отношении того, что эксперименты в течение следующих двух-трёх лет покажут нам, что накладные расходы не обязательно будут такими большими, как думают многие», — сказал Лукин.
Хотя ещё многое предстоит сделать, Стин считает работу в Гарварде «важным шагом в реализации протоколов исправления ошибок в лаборатории».
Коммерциализация результатов
Подобные достижения привели к тому, что кубиты на основе ридберговских атомов сравнялись со своими конкурентами. «Сочетание высокоточных вентилей, большого количества кубитов, высокоточных измерений и гибкого подключения позволяет нам рассматривать матрицу ридберговских атомов как реального конкурента сверхпроводящим кубитам и кубитам на ионах», — сказал Стин.
По сравнению со сверхпроводящими кубитами, эта технология обходится гораздо дешевле. В результате сотрудничества Гарварда и MIT возникла дочерняя компания под названием QuEra, которая уже создала 256-кубитный ридберговский квантовый процессор под названием Aquila. Это аналоговый «квантовый симулятор», способный запускать моделирование систем из многих квантовых частиц. Он доступен в облаке в партнерстве с платформой квантовых вычислений Amazon Braket. QuEra также работает над улучшением квантовой коррекции ошибок.
Саффман присоединился к компании Infleqtion, которая разрабатывает оптическую платформу на нейтральных атомах для квантовых датчиков и коммуникаций, а также квантовых вычислений. «Я не удивлюсь, если одна из крупных IT-компаний вскоре вступит в какое-то партнерство с одним из этих дочерних предприятий», — сказал Адамс.
«Масштабируемая коррекция ошибок с помощью кубитов на нейтральных атомах определённо возможна, — сказал Томпсон. — Я думаю, что 10000 кубитов на нейтральных атомах вполне возможны в течение нескольких лет». Кроме того, он считает, что практические ограничения мощности и разрешения лазеров потребуют модульных конструкций, в которых несколько отдельных массивов атомов будут связаны друг с другом.
Если это произойдет, кто знает, что из этого выйдет? «Мы пока даже не знаем, что мы можем сделать с помощью квантовых вычислений, — сказал Лукин.— Я очень надеюсь, что эти новые достижения помогут нам ответить на эти вопросы».
Автор перевода @arielf
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
Habrahabr.ru прочитано 9931 раз
