Создание прототипа ионного квантового компьютера в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) – часть усилий, которые предпринимаются для ликвидации 10-летнего отставания России в квантовых технологиях. Об этом рассказал директор ФИАНа, член-корреспондент РАН Николай Колачевский в докладе «Реализация двух- и многокубитних операций на ионных цепочках». Доклад состоялся 23 декабря 2021 г. на заседании Научного совета РАН «Квантовые технологии» по теме «Методы создания запутанных состояний» под руководством академика-секретаря Отделения нанотехнологий и информационных технологий Геннадия Красникова.

«Запутанные состояния – это основное свойство квантовых систем, за счет которого и реализуется преимущества квантовых вычислений и квантовой криптографии, – подчеркнул важность темы академик Красников. – Вопросы о способах формирования запутанных состояний с нужными параметрами – это принципиальная вещь, которая определяет развитие квантовых технологий. Это центральная проблема».

Решению этой проблемы применительно к созданию ионного квантового компьютера и был посвящен доклад директора ФИАНа Николая Колачевского.

Как известно, наименьшей единицей информации при вычислениях с помощью обычных компьютеров является бит, который может принимать два значения – 0 или 1. В квантовых вычислениях такой единицей служит кубит, принимающий значение 0 или 1 лишь с некоторой вероятностью, то есть его значение выражается суперпозицией 0 и 1.

Физической реализацией бита для обычных компьютеров сегодня служит полупроводниковый транзистор. Физическая реализация кубита – несравненно более сложная задача. Ведь он должен представлять собой квантовую систему с двумя энергетическими уровнями, один из которых принимается за 0, а второй – за 1. Но не это самое сложное.

Соединить миллиарды транзисторов в интегральную схему на современном уровне технологий достаточно просто. Соединить даже два кубита так, чтобы изменение квантового состояния одного влияло на состояние другого, – нетривиальная задача. Такое соединение кубитов называется запутанностью. Впрочем, некоторые российские физики, к числу которых относится и директор ФИАНа, предпочитают термин перепутанность.

«Сложность создания квантового компьютера заключается в его физической реализации, идеологически он достаточно понятен», – говорит Николай Колачевский.

Ученый отметил, что сейчас предлагается огромное количество физических систем для квантовых вычислений. На многих из них реализованы однокубитные операции, то есть возможность управлять состоянием одного изолированного кубита. Но знаком качества для такой системы и признаком ее практической применимости является реализация двухкубитных операций, для чего эти кубиты требуется ввести в перепутанное квантовое состояние.

«Разных физических систем предлагается много, но основные лидирующие – это сверхпроводники, ионы, нейтральные атомы, твердотельные и фотонные системы, – рассказал Николай Колачевский. – И везде разный тип взаимодействия кубитов, разная физика. Мы в ФИАНе в последнее время занимаемся ионами».

Кубит ионного компьютера физически реализуется в виде внутренних электронных состояний иона. Грубо говоря, если электрон иона находится на одной орбите – это 0, если он возбуждается и перескакивает на другую орбиту – это 1. Управлять состоянием иона можно с помощью лазерного излучения.

 

То обстоятельство, что ион обладает электрическим зарядом, имеет два практических следствия. Во-первых, ионы можно «подвесить» во внешнем электромагнитном поле в так называемой ионной ловушке (см. фото выше). Во-вторых, ионы отталкиваются друг от друга благодаря кулоновским силам и выстраиваются в цепочку на расстоянии 5-10 микрон друг от друга. Благодаря этому же кулоновскому взаимодействию реализуется перепутанное состояние между ними. Возбуждение передается через совместные колебательные моды.

Иллюстрация из работы S. Mavadia et al, Nature Comm. 4, 2571 (2013)

«Если я начинаю увеличивать количество ионов в ловушке, как показано на верхней картинке, количество мод их взаимных колебаний растет, – поясняет Николай Колачевский. – Это могут быт продольные колебательные моды, поперечные колебательные моды, частотный диапазон этих мод достаточно комфортный, их легко возбуждать и наблюдать, и в общем-то это некое коллективное явление, которое, говоря языком классической физики, выражается в том, что если я стукну по одному иону молоточком, то будут дрожать они все. Собственно, это и служит способом передачи квантовой информации от одной системы к другой».

Результатом напряженной работы ученых ФИАНа в течение полутора лет стало создание прототипа ионного компьютера, общая схема которого приведена на рисунке выше.

«Все ионные квантовые компьютеры выглядят примерно одинаково, – говорит Николай Колачевский. – Это оптико-механическая структура размером с один оптический стол. Справа снизу на слайде видны ионы иттербия-171 в ловушке, но сам по себе факт, что мы можем загрузить 5,10 или 20 ионов в ловушку, не значит, что мы сделали 5-,10- или 20-кубитный компьютер. Вопрос, можем ли мы делать с ними совместные операции».

Впервые возможность перепутывания двух кубитов на ионах была реализована на практике еще в 2003 году в Австрии. А в 2008 году было достигнуто фиделити, то есть достоверность операций, 99,3 %. Рекорд же для ионных квантовых систем, достигнутый в 2016 году, составляет 99,92 %.

«Фиделити, или достоверность, фактически характеризует качество операций, – поясняет терминологию Николай Колачевский. – Можно провести аналогию с классическим компьютером: сейчас такие компьютеры работают очень хорошо, и если вы хотите из 0 получить 1, то качество операций очень высокое и вы фактически гарантированно из 0 делаете 1. Но были времена, когда транзисторы работали не так надежно, и это было вероятностным событием, то есть, скажем, из 1000 попыток только 999 получались успешными. Получается достоверность операции 99,9 %. Фиделити – это вероятность того, что запланированная операция будет успешно реализована».

Увы, пока по качеству операций российский прототип значительно уступает мировым образцам.

«По качеству мы пока не дотягиваем до достигнутого в мире уровня, но это наши самые первые результаты, которые удалось получить в системе из двух ионов, – фиделити около 70 %, – рассказывает Николай Колачевский. – Кроме того есть проблемы с обеспечением длительности запутанного состояния, то есть когерентности. Мы их можем объяснить тем, что качество лазерного излучения у нас сейчас недостаточно высокое, много шумов».

Ускорить прогресс в повышении достоверности операций специалистам ФИАНа позволил своего рода «ход конем» – использование вместо кубитов так называемых кудитов.

«Под кубитом понимается двухуровневая система, когда в сложной физической системе выбираются два уровня – энергетических интервала – для реализации операции состояния 0 и 1, – объясняет Николай Колачевский. – Но обычно в физических системах таких уровней больше и можно выбрать не два, а три, четыре или пять. Все системы с уровнем больше двух называются кудитами».

Кудит с 4 уровнями называет куквартом. Его квантовое состояние определяется суперпозицией не только 0 и1, а четырех уровней – 0-1-2-3. Доказано, что такая система полностью эквивалентна квантовому пространству двух кубитов. То есть вместо того, чтобы перепутывать два кубита со всеми сложностями этого процесса, можно взять один ион, в котором электрон может переходить не между двумя, а между четырьмя орбитами. Такими свойствами обладают, к примеру, ионы иттербия-171.

«У ионов иттербия, с которыми мы работаем, есть система магнитных подуровней, – говорит Николай Колачевский. – Их много, но мы выбрали для работы четыре и продемонстрировали, что можем реализовывать однокубитные операции со всеми этими уровнями. Кроме того, удалось продемонстрировать эквивалентность двух кукварков и четырех кубитов».

Преимущество такой схемы в том, что в кудитах выгодно делать двухкубитные операции, поскольку они получаются с более высокой достоверностью, то есть без больших технологических сложностей удалось достичь фиделити 85 %.

На слайде выше сведены вместе достижения ФИАНа в части создания ионного квантового компьютера в 2021 году, а также планы на 2022 год.

«Примерно за полтора года достаточно интенсивной работы нам удалось собрать систему на ионах иттербия, продемонстрировать двухкубитные операции с достоверностью 66% и показать полный набор кудитных операций с достоверностью порядка 85%. – подвел итоги директор ФИАНа Николай Колачевский. – На самом деле хвалиться пока особенно нечем, потому что все это уже сделано зарубежными коллегами, правда, на другой физической системе – на кальции, но довольно давно. С другой стороны, учитывая наши возможности и то, что это первый подход к снаряду, получен, на мой взгляд, очень обнадеживающий результат, который позволяет взяться за оптимизацию качества операций».

После своего доклада Николай Колачевский согласился ответить на дополнительные вопросы редакции сайта РАН, охарактеризовав общую ситуацию с разработкой ионных квантовых компьютеров в России и в мире.

Почему ФИАН решил создавать прототип именно на ионах?

Есть две платформы – сверхпроводящая и ионная, которые рассматриваются как наиболее перспективные для создания квантового компьютера. Такие гиганты, как Google и IBM, сосредоточились на сверхпроводящих системах, а Honeywell и IonQ – на ионных. ФИАНу ионная платформа ближе, потому что у нас очень хороший задел исследований по ионам. И технологии, которые требуются, по крайней мере, на первом этапе работы, намного проще, чем необходимые для сверхпроводящей платформы.

В чем главная проблема физической реализации квантовых технологий на ионах?

Основная общепризнанная проблема – это масштабируемость. Сложно придумать технологию, чтобы физически захватить в одну ловушку 1000 ионов. Как захватить 100 ионов, понятно, а как реализовывать архитектуры для захвата 1000 ионов, уже не очень. Если для сверхпроводниковых квантовых схем решение этой проблемы как-то просматривается, потому что можно на плате напечатать много идентичных элементов, то ионы начинают расталкиваться, менять конфигурацию. А вот что касается достоверности операций, то у ионов она пока рекордная по сравнению с другими платформами.

Вы в своем докладе привели данные, что рекордная достоверность двухкубитных операций для ионного компьютера, полученная за рубежом, составляет 99,92 %. А какую нужно обеспечить достоверность, чтобы квантовый компьютер работал?

На самом деле каких-то ограничений здесь нет. Чем выше качество операций, тем лучше, тем меньше надо заботиться об алгоритмах коррекции ошибок и тем качественнее будут результаты работы компьютеров, потому что результат операций в нем по определению носит вероятностный характер, это свойство квантовых систем. При этом вероятность того, что алгоритм сработает правильно, зависит от того, сколько требуется выполнить операций. Даже если у меня достоверность одной операции составляет четыре девятки – 99,99 %, но для выполнения расчетов требуется 10000 операций, то, умножив вероятность ошибки в одной операции на 10000, мы получим, что система становится неинформативной. Значит, нужно шесть девяток. Чем больше глубина квантовых алгоритмов, тем большая требуется достоверность. Сейчас полученная достоверность позволяет реализовывать алгоритмы глубиной лишь в десятки операций.

Ваш прототип может выполнять полезные квантовые вычисления, к примеру, по знаменитому алгоритму Шора, который теоретически позволяет «раскалывать» современные шифры?

Когда вы говорите про алгоритм Шора, то он уже реализован квантовыми компьютерами, к примеру, для числа 15, но это не очень интересно. Нужно «раскалывать» длинные шифры. Мы сделали универсальный квантовый компьютер с использованием двух кудитных ионов, что эквивалентно 4-кубитному компьютеру. Он может выполнять логические операции, хотя пока не с очень высоким качеством. Простейшие алгоритмы мы сможем на нем реализовывать, включая алгоритмы Дойча – Йожи и Гровера, и, таким образом, мы покажем, что наш прототип работает. В следующем году вместе с Российским квантовым центром и «Росатомом» мы будем встраивать его в облачную платформу, чтобы сделать вычисления на нем доступными широкому кругу исследователей.

Сколько кубитов имеют зарубежные ионные квантовые компьютеры?

Сейчас вопрос даже не в количестве кубитов, а в совмещении количества и качества. В настоящее время уверено работают 20-кубитные ионные квантовые системы. IonQ изготавливает компьютеры на так называемых логических кубитах, на которых уже реализован алгоритм коррекции ошибок.

Как выглядит общий уровень российских разработок в области квантовых технологий относительно мирового уровня?

Мы отстаем минимум лет на 10, что, собственно, отмечено в дорожной карте «Квантовые технологии», принятой правительством в 2019 году. Даже при тех довольно больших стартовых темпах, которые мы сейчас взяли, догнать мир будет очень тяжело, потому что там уже сформировались серьезные коллективы с огромным финансированием, а технологии, которые потребуются в ближайшее время для дальнейшего прогресса, у нас либо отсутствуют, либо их надо развивать: чип-технологии, многослойные структуры, высокое качество поверхностей, лазерные излучатели. Это тоже очень дорого. У нас даже полупроводниковых лазеров почти не производится. Словом, есть чем заниматься.

Есть шанс у России догнать мир в гонке квантовых технологий?

Мы работаем в рамках дорожной карты развития квантовых технологий, которая утверждена правительством. В ней определены 7 направлений работы: четыре основные платформы – ионы, нейтральные атомы, сверхпроводники и фотоны, и еще три фундаментальные задачи. Оператор этой дорожной карты – «Росатом». Мы играем роль одного из соисполнителей, занимаемся ионами. Есть шанс, что мы достигнем нынешнего мирового уровня года через три, если все пойдет очень хорошо. Мы будем стараться, но препятствия просматриваются, и некоторые из них, в основном технологические, преодолеть будет непросто. Дорожной картой заданы очень высокие обязательства, которые надо достичь к 2024 году: сделать 20-50-кубитный компьютер на одной из четырех платформ. Дьявол, как всегда, в деталях, есть много не только научных, но и организационных проблем, однако в целом я оптимистичен.

Хорошо известно, что среди определенной части научного сообщества растет скептицизм в отношении перспектив создания полезного квантового компьютера в обозримом будущем. Вот и в ходе этого заседания один из участников заметил, что разработка квантовых компьютеров напоминает ситуацию с термоядом, где в теории тоже все понятно, но на практике уже много десятилетий ничего не получается.

Действительно, если бы можно было имплементировать закон Мура к квантовым вычислителям, то мы уже сейчас должны были быть сильно впереди по отношению к тому, где мы есть. Опасения, что может сложиться та же ситуация, как с высокотемпературной проводимостью или теромядом, безусловно, есть, но, с другой стороны, и то, и другое направление живет уже много десятилетий и, по крайней мере, мне, как исследователю, а не как технологу, – вы уж меня простите – честно скажу, это очень интересно.

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.