Квантэссенция

Росатом создает квантовые процессоры в соответствии с дорожной картой «Квантовые вычисления». В декабре она была утверждена правительством России. В разработке документа участвовали более 100 экспертов.

Предыстория
Квантовые технологии в Росатоме исследуются не первый год. В апреле 2016 года госкорпорация, Фонд перспективных исследований и министерство образования и науки РФ подписали трехстороннее соглашение о создании и поддержке совместных лабораторий. Целью было создание квантовых вычислительных мощностей. Со стороны Росатома в проекте участвовали ВНИИА им. Н. Л. Духова и команда, которую возглавлял Александр Андрияш. Проект длился почти три года и завершился в конце 2018 года. Участники эксперимента, во‑первых, создали технологию, позволяющую производить сложные сверхпроводниковые схемы с большим количеством кубитов. Во-вторых, довели время жизни кубитов до нескольких десятков микросекунд. За это время над кубитом можно совершить несколько тысяч операций. В‑третьих, ученые смогли запутать кубиты, то есть показать их работу во взаимодействии. В‑четвертых, на базе двух кубитов был создан простейший квантовый алгоритм. Несмотря на определение, это сложная задача, так как требует точнейшей настройки управления физическим состоянием кубитов.

Новейшая история
По заказу Росатома для правительства России различные организации подготовили дорожные карты по семи сквозным цифровым технологиям. В октябре 2019 года они были опубликованы на сайте министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ.

Одна из них — "Квантовые технологии" (далее — "Дорожная карта"). Она подразумевает развитие трех субтехнологий: квантовых вычислений, квантовых коммуникаций, квантовых сенсоров и метрологии. Общий бюджет программы — 51,1 млрд руб., включая внебюджетное финансирование в размере 8,7 млрд руб. «Инвестиции для развития квантовых технологий в России нужны уже сегодня», — говорится в программе.

Росатом будет заниматься субтехнологией «квантовые вычисления». До 2024 года на нее, по данным «Дорожной карты», будет выделено 12,8 млрд руб. из бюджета и 2,4 млрд руб. из внебюджетных источников. Она подразумевает создание квантовых процессоров с использованием шести технологий.

Еще несколько направлений работы: создание облачной платформы для квантовых вычислений и эмулятора квантовых вычислений, квантовые методы подавления ошибок, квантовые коды коррекции ошибок, квантовые алгоритмы.

Столь широкий спектр направлений деятельности связан с тем, что неизвестно, какая физическая система (сверхпроводники, атомы, ионы или иная) окажется наиболее эффективной и экономичной для создания нового поколения квантовых компьютеров.

Для воплощения «Дорожной карты» в Росатоме создан проектный офис по квантовым вычислениям, который будет координировать работу по всем направлениям. Возглавляет его Руслан Юнусов, также являющийся генеральным директором «Российского квантового центра» (РКЦ). Работать над созданием квантовых процессоров будут несколько организаций, входящих в Росатом: ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова» (направление сверхпроводников) и АО «Русатом Автоматизированные системы управления» (РАСУ; направление ионов). В работе также примут участие ученые и специалисты из РКЦ, «Сколтеха», научных институтов и профильных вузов. Например, разрабатывать аппаратную платформу для квантовых вычислений с использованием ионов (направление ионов в ловушке) будут команды из РКЦ и Физического института Академии наук им. П. Н. Лебедева, а к разработке программного обеспечения привлечены специалисты из «Сколтеха» и Физико-­технологического института РАН им. К. А. Валиева.

Лаборатории и производственные комплексы частично будут базироваться на существующих площадках. Например, лаборатории с криогенным оборудованием (направление сверхпроводников) расположены на территориях Московского института сталей и сплавов (МИСиСа), ВНИИА им. Н. Л. Духова, МФТИ и МГТУ им. Н. Э. Баумана. На этой же площадке создаются кубиты. Кроме того, часть лабораторий, работающих над другими исследованиями, располагается в РКЦ, который, в свою очередь, находится на территории «Сколтеха». Предполагается, что новые лаборатории, создаваемые в рамках работы по «Дорожной карте», также будут расположены в РКЦ.

Финансирование дорожной карты по квантовым вычислениям будет смешанным: гранты, субсидии и иные формы. Выделение денег уже началось. В январе нынешнего года РАСУ сообщило, что вместе с партнером, ООО «Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий» (юридическое лицо РКЦ), получила от Российской венчурной компании грант на развитие квантовых технологий. Размер гранта — 300 млн руб., срок проекта — не более трех лет.

В январе 2020 года Росатом сделал следующий шаг в организации работ над квантовыми процессорами. АО «Атомэнергопром» учредило ООО «Совместное предприятие „Квантовые технологии“». Его уставный капитал составил 300 млн руб. Пока «Атомэнергопром» — единственный владелец ООО, но само его название позволяет предположить, что в будущем возможны сделки со стратегическими партнерами.

Кому нужны квантовые процессоры?
Квантовые процессоры нужны для того, чтобы делать расчеты радикально быстрее существующих суперкомпьютеров. Прежде всего, речь идет о задачах, для которых необходимо найти корреляции между определенными параметрами. Например, поиск периодичности в последовательности данных методом квантового преобразования Фурье. Квантовые компьютеры гораздо быстрее классических решают задачи, связанные с перебором большого числа вариантов. Это, например, задача разложения чисел на простые множители (алгоритм Шора), лежащая в основе современной асимметричной криптографии, поиск по базам данных (алгоритм Гровера).

Области знаний, где количество взаимосвязей между параметрами велико: кибербезопасность, оптимизация и логистика, искусственный интеллект, создание новых материалов в химии и биологии, роботов, сенсоров, точнейших часов, способов хранения энергии и так далее. Наконец, квантовые процессоры позволяют более точно понять саму природу квантовых систем и принципов взаимодействия компонентов в них.

«У вас есть атом водорода с единственным электроном. Вы добавляете к нему еще один электрон, который начинает взаимодействовать с первым. У каждой частицы есть спин, орбитальный момент, они взаимодействуют, и выяснить, как электронное облако будет себя вести, — это и есть корреляционная задача. Если добавить еще один электрон, электронная оболочка может перестроиться целиком. То же самое в химии: если поставить атом углерода с одной стороны цепочки, то неизвестно, что изменится на другой стороне: вдруг какой-то радикал отвалится. Нужна ясность», — объясняет директор ФИАНа Николай Колачевский.

Свежий российский пример решения таких задач: РКЦ и японская Nissan запустили проект по использованию квантовых вычислений для моделирования свой­ств молекул. «Мы начали с простых молекул — молекул водорода, соединений лития и бериллия. Самая первая задача — оптимизация литий-­ионных аккумуляторов, которые используются, в частности, в электромобилях. Разработанные в рамках проекта методы расчетов, как мы ожидаем, могут быть интегрированы в систему дизайна материалов, применяемую в Nissan», — прокомментировал соглашение глава группы квантовых и информационных технологий Алексей Федоров. В рамках «Дорожной карты» он также возглавляет направление «Квантовые компьютеры и симуляторы на основе ионов в ловушках».

Квантовая специфика
Квантовая суперпозиция — один из основных феноменов, определяющих превосходство квантовых вычислителей над классическими при решении ряда задач. Его суть заключается в том, что кубит может находиться в состояниях 0, 1 или в обоих одновременно. Если два классических бита в некоторый момент могут принимать только одно из четырех значений: 00, 01, 10, 11, — то два кубита могут в один и тот же момент находиться сразу во всех этих состояниях. Это, как объяснили сотрудники лаборатории оптики сложных квантовых систем ФИАНа, лежит в основе квантового параллелизма. Классический компьютер за один раз может выполнить алгоритм только для одного набора входных данных, а квантовый компьютер, если ему на вход подать суперпозицию из всевозможных входных значений, выполнит операцию для них всех сразу. Сводить и интерпретировать полученные результаты непросто, так как выходные данные тоже будут суперпозицией всевозможных ответов.

Кубит может быть создан на физической базе, имеющей два уровня энергии. Чтобы проводить вычисления, необходимо уметь детерминированно переводить каждый из кубитов на один из этих уровней энергии, контролируемо возбуждать переходы между этими уровнями, в том числе в зависимости от состояний других кубитов, а также уметь с высокой точностью считывать итоговые состояния кубитов.

Срок жизни кубитов в 1999 году, во время первых экспериментов в Японии, составлял (удерживал энергию на верхнем уровне) лишь наносекунду. Благодаря исследованиям физиков всего мира, за последние годы произошел экспоненциальный рост срока жизни кубитов. Сейчас он может доходить до десятков минут. Время жизни кубитов выросло, потому что ученые стали тщательнее изолировать кубиты от воздействия неблагоприятных (неуправляемых) факторов, таких как изменения температуры, взаимодействия с другими телами и частицами. Кубиты охлаждают, помещают в вакуум и иные высокочистые среды, удерживают лазерами на одном месте, чтобы избежать декогеренции. За это время можно провести до 10⁷ операций.

Декогеренция для квантовых компьютеров — это потеря кубитами квантовой информации. Потерять квантовую информацию легко: кубит может неконтролируемо изменить свое состояние, испустив фотон, нагревшись или провзаимодействовав с другими телами или частицами.

Сохранить квантовую информацию, существующую в кубитах, нелегко. Это большая технологическая проблема, которая до сих пор до конца не решена. Одна из причин высокой нестабильности системы — малые размеры кубитов (атомов, ионов или тончайших пленок сверхпроводников).

Возникает вопрос: а почему не работать с более крупными объектами? «Проблема в том, что мир просто не работает таким образом. Фундаментально масштаб задается постоянной Планка, h. Физические измерения этой шкалы — энергияxвремя/расстояниеxимпульс. В результате, например, если вы используете два состояния, между которыми достаточно большая энергетическая щель, вы обнаружите, что время, за которое система претерпевает изменения, гораздо меньше», — говорится в «Неформальном введении» в раздел «Коррекция квантовых ошибок» на сайте Оксфордского университета.

Вентили — логические операции по обработке информации («и», «или», «нет» и т. д.). Они есть и в обычных компьютерах. Минимальный набор для квантового вычисления — пара кубитов, которая управляется двухкубитными и однокубитными вентилями.

Чтобы кубиты физически могли взаимодействовать, их необходимо неким образом разместить в пространстве. Самые простые способы — цепочки (одномерные регистры) и двумерные массивы. Важно, чтобы управляемыми были как вся система, так и каждый ее компонент. Например, в 51-кубитном процессоре, который создала на нейтральных атомах группа Михаила Лукина, все кубиты работают «вместе, как один». А в 17-кубитном процессоре, который создала на ионах группа Кристофера Монро, каждый кубит может управляться самостоятельно, причем запутываться с любым другим кубитом в цепочке за одну операцию. В процессоре Google на сверхпроводниках запутываются только соседние кубиты. В марте 2020 года американская Honeywell анонсировала создание «самого мощного по квантовому объему» процессора, где взаимодействуют пять цепочек по два кубита. Компания уже продемонстрировала систему, где взаимодействуют четыре цепочки по два кубита.

Когда кубиты соединены в схему, работающую по алгоритму, в ней можно запустить сложное вычисление. Создание схемы — задача и математическая (надо написать алгоритм), и аппаратная. Нужны электроника и лазеры или иные устройства, способные управлять взаимодействием множества кубитов. Для иллюстрации физики приводят такой пример: представьте, что у вас два капризных ребенка. Сложно ими управлять? Сложно, но возможно. А теперь представьте, что у вас их пятьдесят. Физикам, как и родителям, нужны все более сложные средства управления квантовыми «капризными детьми».

Важнейшая задача при создании квантовых процессоров — корректный итог вычислений. Система столь хрупкая, что даже сами наблюдение и считывание могут стать помехами, из-за которых стабильность возбужденного состояния кубита нарушится, информация потеряется, и придется начинать вычисление заново.

Для обычных компьютеров задача избавления от ошибок уже решена. Для квантовых стабильное решение только предстоит найти. Один из вариантов — создать логический кубит. «С помощью некоторых ухищрений (не вдаваясь в подробности) можно соединить несколько физических кубитов. Объединенные в систему физические кубиты теоретически могут жить бесконечно долго, потому что физические кубиты „умирают“ (теряют информацию) в разное время. Здесь используется принцип двух наблюдателей: если два наблюдателя смотрят на кубит, они одновременно заметят, что ошибка возникла. Как только совпадут эти два события, мы говорим: да, произошла ошибка», — поясняет завлабораторией сверхпроводящих метаматериалов МИСиСа, руководитель группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре профессор Алексей Устинов. Однако практического решения еще нет.

Сверхпроводники
Физически кубит на базе сверхпроводников — пластинка из кремния, на которую нанесены две тонкие, меньше микрона, пленки алюминия. Между ними — диэлектрик из окиси алюминия. В этом месте находится джозефсоновский переход, или контакт, в котором происходит эффект Джозефсона: протекание сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Для удобства пластинка из кремния закрепляется на медной подложке.

Почему выбран алюминий? Он становится сверхпроводником при температуре 1,2 К. В сверхпроводнике электрический ток течет без сопротивления — оно равно нулю. «Если мы запустили ток, скажем, в кольце и ушли на 100 лет, а низкую температуру оставили, то, когда мы вернемся, в кольце будет течь ровно такой же ток», — приводит пример А. Устинов.

Сверхпроводник благодаря своим физическим свой­ствам становится системой, минимальная энергия которой хорошо определена, а следующее возможное значение энергии кольца с джозефсоновским переходом отделяется небольшой щелью — то, что и требуется для создания кубита.

Переход с минимально возможного уровня энергии на следующий инициируется за счет воздействия на кубит коротким импульсом микроволн с частотой несколько гигагерц, что соответствует длине волны в несколько сантиметров. У таких волн энергия фотонов низкая (энергия излучения, напомним, обратно пропорциональна длине волны). Но температурные флуктуации (в квантовой механике это отклонения от среднего значения случайной величины) могут легко разрушить квантовую систему. Чтобы этого не произошло, температура системы должна быть еще ниже, чем необходимая для того, чтобы сделать алюминий сверхпроводником. Вместо 1 К требуется порядка 20 мК.

Создают и поддерживают такую температуру специальные холодильники, работающие на смеси изотопов гелия. В России такие есть во ВНИИА, МГТУ, МФТИ, МИСиСе и Российском квантовом центре.

В России безошибочность выполнения однокубитных операций на сверхпроводниковых процессорах (контролируемых изменений состояний кубитов) — 99,9%, двухкубитных — 89%, а точность считывания — 85−90%. У Google, в лаборатории Джона Мартиниса в Университете Санта-­Барбары, у однокубитных операций показатель тот же, у двухкубитных — 99,5%. По точности считывания лидер с показателем 99% — лаборатория IBM в Цюрихе.

Ионы в ловушках
Технология создания вычислительных мощностей на базе ионов выросла из разработок оптических часов. Для создания кубитов на базе ионов в ловушке используются металлы. Наиболее перспективными считаются иттербий — его, например, используют в Физическом институте Академии наук им. П. Н. Лебедева (ФИАНе) и компании IonQ, а также кальций — его использует группа Райнера Блатта, работающая в Институте экспериментальной физики Университета Инсбрука (Австрия). В качестве эксперимента в Массачусетском технологическом институте (МIT) в прошлом году попробовали сочетать кальций и стронций, также были примеры сочетания иттербия с бериллием.

Сначала из электрически нейтрального атома металла создается ион. Металл нагревают, а затем на его пары воздействуют лазером. Для использования подходят не все атомы: например, чтобы удалить с внешней орбитали один из электронов, в парах иттербия лазером воздействуют только на изотоп ¹⁷¹Yb.

С помощью лазера же ионы помещают в ловушку. Она представляет собой микросхему из крошечных электродов, создающих электромагнитное поле, удерживающее ион на месте. Постоянное напряжение не может удерживать ион на одном месте, поэтому напряжение, приложенное к электродам ловушки, быстро колеблется. «В качестве аналогии представьте себе, что вы помещаете шар на верх седла, а затем очень быстро вращаете это седло», — поясняется на сайте IonQ. Вся система помещается в вакуум и охлаждается лазерами. Это необходимо, чтобы иметь возможность управлять ионами без посторонних воздействий, уничтожающих квантовую информацию, хранящуюся в ионах.

Управляются кубиты тоже лазерами, которые воздействуют как на все ионы, так и на каждый в отдельности. Кроме того, для управления используется влияние колебаний одних ионов на другие — квантово-­механическая «колыбель Ньютона». Длина волны всех лазеров тщательно подбирается с учетом эффекта Доплера и резонанса.

За 0 и 1 в ионных процессорах принимаются два энергетических уровня сверхтонкой структуры основного состояния иона. Для иттербия они разделены интервалом в 12,6 ГГц. Если проще — это два варианта взаимной ориентации спина ядра и спина электронной оболочки.

Сейчас неточность выполнения вычислений на ионных процессорах составляет 10^-5. Это означает, что на 100 тыс. операций он совершает одну ошибку.

В России в рамках «Дорожной карты» для разработки процессоров на базе ионов должен быть создан лидирующий инновационный центр (ЛИЦ) — это решение согласовано, но заинтересованные стороны его еще не подписали. Возглавит его Алексей Федоров. Над разработкой программных алгоритмов будут работать сотрудники РКЦ, отдельными направлениями займутся «Сколтех» и Физико-­технологический институт им. К. А. Валиева. Разрабатывать аппаратную базу будут совместно РКЦ и ФИАН. АО «Русатом Автоматизированные системы управления» — технологический партнер.

Одиночные кубиты в ФИАНе были созданы еще три года назад. «Мы научились ловить до 5−7 ионов в цепочку, охлаждать их и управлять ими по одному в радиочастотной ловушке. Это настоящий кубит. Теперь наша задача — научиться работать с парой кубитов: они должны правильно управляться, к ним должны быть индивидуальная адресация и считывание, а также протоколы, которые позволят наши ионы правильным образом запутывать. Иначе говоря, мы должны научиться работать с парой кубитов одновременно, но адресоваться к каждому по отдельности», — поясняет Н. Колачевский. Задача ФИАНа — создать пять таких кубитов к концу 2022 года. В настоящее время когерентность кубитов ФИАНа составляет около десятка миллисекунд, а время проведения операций (время гейта) — десятки микросекунд.

«Наша задача — создать прототип квантового компьютера на основе ионов и обеспечить возможность облачного доступа к нему. В результате проекта возникнет платформа, которая позволит, обращаясь к компьютеру через Интернет, реализовывать на нем простые квантовые алгоритмы», — пояснил А. Федоров. Параллельно с этим команда ученых, участвующих в проекте, собирается исследовать сложные оптимизационные и управленческие задачи, представляющие интерес для АО «Русатом Автоматизированные системы управления». В результате анализа должно проясниться, когда компьютеры, способные решать такие задачи, могут появиться и каким требованиям они должны удовлетворять.

Нейтральные атомы
В создании квантовых процессоров на основе нейтральных атомов преуспел Михаил Лукин — глава лаборатории квантовой оптики Гарвардского университета и сооснователь РКЦ. Еще в 2017 году его группа создала процессор, состоящий из 51 кубита, однако он работает в режиме аналогового симулятора, то есть не является полностью универсальным. С Росатомом будут работать коллега М. Лукина Георгий Шляпников — руководитель группы «Теория многих тел» в РКЦ и научный директор лаборатории теоретической физики и статистических моделей Национального центра научных исследований Франции, а также глава сектора квантовых вычислений центра ­квантовых технологий МГУ Станислав Страупе.

Материальная основа кубита на нейтральных атомах, используемая в экспериментах в МГУ, — атомы изотопа рубидия ⁸⁷Rb. По словам С. Страупе, их можно располагать как в двумерном, так и в трехмерном пространстве. Захватываются атомы дипольной ловушкой, иначе называемой оптическим пинцетом. Пинцет представляет собой узкий лазерный пучок. Частота пучка гораздо ниже частоты перехода с одного энергетического уровня атома на другой (частота отстроена в красную область от частоты перехода). Поэтому в перетяжке жестко сфокусированного лазерного пучка (месте, где его диаметр минимален) формируется потенциальная яма глубиной около нескольких мК, куда затягивается атом. Чтобы нейтральный атом удержался в потенциальной яме, его температура должна быть несколько десятков мкК. Для этого атом, как и ион, предварительно охлаждается лазерами.

В потенциальной яме может находиться только один атом, поэтому при неупругих столкновениях с другими атомами из ямы вылетают оба. Система может сохранять свое квантовое состояние в течение десятков миллисекунд, затем она разрушается помехами (например, из-за флуктуаций формы и положения ловушки).

Система управляется лазерами, точность проведения операции с одним кубитом — 99,6%. Однако для двухкубитных операций она уже гораздо ниже — лишь 95%. Реализация контролируемого взаимодействия в многокубитной системе — главная проблема процессоров на нейтральных атомах. Причина — именно в нейтральности атомов, из-за которой они плохо запутываются друг с другом. Для того, чтобы они все же начали взаимодействовать, их переводят в ридберговское (высоковозбужденное) состояние. В этом состоянии у атомов резко увеличивается дипольный момент. Благодаря диполь-­дипольному взаимодействию атомы начинают «чувствовать» друг друга на расстоянии нескольких микрометров. Используя это взаимодействие, можно выполнять запутывающие квантовые операции, необходимые для квантовых алгоритмов.

Квантовый компьютер мечты
Какими качествами он должен обладать? Высоким временем когерентности. Хорошей адресуемостью: в каждую ячейку должна записываться информация. «Пока адресуемость хромает. Условно: вы хотите сделать кошке розовый нос, а получается зеленый хвост», — поясняет Н. Колачевский. Обязательна и высокая точность результатов. Ошибка на уровне 10^-4 уже считается хорошей. Для физической реализации эффективного квантового компьютера необходимы точно подобранные поля, частоты импульсов, их амплитуды и так далее. Наконец, в системе должно быть много кубитов с качественными связями.

России программа развития квантовых технологий нужна для того, чтобы сравняться с другими странами, обеспечить национальную безопасность и технологическую независимость.

До коммерческого внедрения квантовых компьютеров еще далеко. Квантовые процессоры вряд ли смогут заменить обычные компьютеры. Но в функции сопроцессоров они уже показали, что могут выполнять вычисления, которые не могут быть выполнены даже на суперкомпьютерах с той же или хотя бы сопоставимой скоростью.