Куквартная химия: что может 16‑кубитный и 20‑кубитный квантовый компьютер

На проходившем в июле Форуме будущих технологий глава «Росатома» Алексей Лихачев продемонстрировал президенту Владимиру Путину 16‑кубитный квантовый компьютер на ионах. Подробнее о работе и модернизации уникального процессора мы попросили рассказать одного из его создателей — ​научного сотрудника лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. Лебедева РАН Илью Семерикова.

«Тычем в ионы лазером»

— Для начала расскажите, как устроен ваш квантовый компьютер.

— Наш 16‑кубитный процессор состоит из восьми ионов иттербия. Ионы отличает высокая эффективность хранения квантовой информации и большое время когерентности (срока, в течение которого можно проводить вычисления. — «СР»). Это — ​физическая база восьми куквартов. Один кукварт — ​математический эквивалент двух кубитов, многоуровневых квантовых систем. Не четырех, как можно было бы предположить из названия, потому что в каждом кубите два энергетических уровня. Уровней может быть сколько угодно, но работать с чем-то большим, чем кукварт, трудно. Итак, восемь куквартов — ​это 16 кубитов нашего процессора.

Все ионы, выстроенные в линию, удерживаются в ловушке. Удерживать их необходимо, чтобы заставить взаимодействовать, — ​так проводятся двухкубитные операции. Мы можем провести их между любой парой, это наилучший показатель управления кубитами. Для этого используем лазеры: на нужные ионы светим в нужной последовательности лазерными импульсами. Если совсем по-простому — ​тычем в ионы лазером.

— Как получить результат на квантовом компьютере?

— Пока выполняется алгоритм, все кубиты находятся в состоянии суперпозиции — ​с некоторой вероятностью имеют значение 0 или 1. Измерения проводятся только один раз, в конце алгоритма. Тогда мы воздействуем на кубиты другим лазером, и каждый кубит приобретает значение 0 либо 1. Это значение мы считываем, записываем, после чего проводим точно такое же вычисление еще раз и снова считываем результат. Проделав вычисления много раз, мы можем говорить об ответе с достаточной степенью вероятности. Физически на экране 0 или 1 выглядят так: светится точка-ион или не светится.

Расчет молекулы

— Построение алгоритмов управления — ​одна из ключевых проблем в создании квантовых компьютеров, верно?

— Да, как и в программировании обычных процессоров. К нашему квантовому компьютеру можно подключиться через интернет, загрузить свою программу на платформу облачного доступа и выполнить ее у нас. Программист нажимает кнопку запуска, а мы в лаборатории следим, чтобы все работало. Алгоритмы в рамках дорожной карты по квантовому процессору создает в Российском квантовом центре научная группа Алексея Федорова, он же руководит лабораторией Московского института сталей и сплавов в рамках проекта «Квантовый интернет». Группа написала некоторое количество относительно простых и общеизвестных алгоритмов длиной порядка 20–30 гейтов — ​логических операций. Алгоритм, который запускал на нашем компьютере президент, уже не совсем простой. Он позволяет промоделировать зависимость потенциальной энергии двух атомов от расстояния между ними, то есть посчитать потенциальную энергию молекулы. В нашем случае — ​гидрида лития.

— В чем значимость этой задачи?

— Именно потенциальная энергия молекулы определяет то, как она ведет себя с точки зрения химии. Бывают простые химические реакции, которые можно посчитать, а для этого надо знать кривую потенциальной энергии. Расчет можно выполнить и на обычном компьютере, но чем больше молекула, тем сложнее задача для расчета ее потенциальной энергии. Например, для формальдегида такую задачу на обычном компьютере решить невозможно. Мы же точно квантово-механически рассчитываем все волновые функции, то есть положения всех электронов, и вычисляем кривую.

— Почему для решения выбрали ваш квантовый компьютер?

— Чтобы решать относительно сложные задачи, у квантовых компьютеров должны быть два свой­ства: достаточно много кубитов и высокая достоверность двухкубитных операций. Такой компьютер в России сейчас один. Достоверность двухкубитных операций у нас порядка 90 %. На 16‑кубитном регистре уже можно запускать какие-то интересные алгоритмы. По-видимому, алгоритмы квантовой химии будут одними из первых, на которых будет показано полезное квантовое превосходство, то есть квантовый компьютер будет работать быстрее классического.

— Какие еще алгоритмы пробуете запустить?

— Из сложных — ​некоторые алгоритмы машинного обучения. И поскольку наша система — ​одна из первых, работающих на куквартах, мы можем позволить себе такие алгоритмы, которые проводят всего несколько групп в мире. Но я не очень глубоко погружен в тему алгоритмов.

Следующий уровень

— Вы сказали, что сегодня ваша оптическая система находится в глубокой модернизации. Что ме­няете?

— После того, как мы продемонстрировали работу нашего компьютера на Форуме будущих технологий, мы взялись за следующую задачу: к концу этого года продемонстрировать 20‑кубитный квантовый компьютер.

— Почему именно столько кубитов?

— Так записано в дорожной карте по квантовым технологиям.

— Что должен уметь новый компьютер?

— Тут есть два аспекта. К концу года мы должны показать, что у нас есть регистр из 10 ионов и мы можем полностью управлять им — ​проводить одно- или двухкубитные операции. Согласно определению, так мы покажем, что у нас есть 20‑кубитный компьютер. Следующий этап — ​запуск реальной программы.

Во всех компаниях в мире существует довольно большой зазор между началом управления регистром и запуском реальной программы. Это связано и с настройками, и с созданием такой программы. Поэтому спустя ­какое-то время в рамках дорожной карты мы будем показывать работу алгоритма. Задача — ​не просто увеличивать число кубитов, а повышать достоверность расчетов. Именно достоверность лимитирует сложность алгоритма.

— Как вы увеличиваете регистр и повышаете достоверность?

— Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. Мы модернизировали систему адресации: раньше могли адресоваться к восьми ионам, сейчас — ​к гораздо большему числу. Точнее сказать пока не могу: не проверяли. Модернизировав адресацию и считывание, мы повысили число кубитов, с которыми можно работать. Мы занимаемся и улучшением достоверности. На сегодня она лимитирована двумя факторами. Один — спектральная чистота лазера — ​то, сколько шумов в нашем лазере.

— Что такое шум в лазере?

— Скажем так: в идеале в спектре нашего лазера должна быть одна линия. Это значит, что у нас есть только одна частота, и на ней вся мощность. Чем меньше шумов в лазере, тем выше достоверность. Наша задача — ​сделать спектр максимально похожим на одну линию. Задача нетривиальная, в мире не так много людей умеют это делать.

— Вы умеете?

— Да, по так называемой технологии герцовых лазеров. Ширина линии у них порядка 1 Гц, частота — ​порядка 10¹⁵ Гц. Это одни из самых точных и чистых спектральных лазеров в мире. А сейчас мы меняем их центральную часть — ​резонатор. Он изготовлен, идет измерение характеристик и калибровка. На это понадобится еще несколько недель, калибровка оптических резонаторов — ​довольно долгая процедура. После того как мы поставим новый, немного изменим систему привязки к нему лазера. Хотим использовать схему injection locking. Смысл такой: берем свет, прошедший через резонатор, и заводим его в лазерный диод, и этот лазерный диод начинает генерировать точно такое же излучение, какое прошло через резонатор. Излучение, пройдя через резонатор, становится очень чистым. В итоге мы глубоко улучшаем лазерную систему, которая используется для взаимодействия с ионами.

Второй аспект, который мы улучшаем, — ​движение ионов в ловушке. Нам надо, чтобы они двигались всегда одинаково, а сейчас они двигаются в течение большого промежутка времени — дня например, немного по-разному.

С высокой достоверностью

— В целом удается повысить достоверность?

— Да, два-три года назад она была в районе 70 %, сейчас наш рекорд — ​95–97 %. Мы далеко продвинулись, но последние проценты всегда самые сложные. Мы также увеличиваем время когерентности нашей системы, модернизируя систему компенсации магнитного поля вблизи иона. Добиваемся, чтобы магнитное поле было одинаковым и стабильным. Раньше мы для этого использовали катушки и прецизионные источники тока, сейчас переходим на постоянные магниты. Это тоже должно расширить спектр задач, которые мы сможем решать на нашем компьютере. Таким образом, мы модернизируем почти все компоненты компьютера и параллельно в соседней комнате собираем еще один.

— Для чего?

— Надо иметь много квантовых компьютеров. Они востребованы: к нам приходят запросы на расчеты из «Газпром нефти», «Роснефти», Сбербанка, МТС. Обращаются с запросом много научных групп, но, к сожалению, большинству мы вынуждены отказывать, потому что стоим перед выбором: либо предоставить им компьютер, либо модернизировать его. И чаще выбираем модернизацию. Внешним пользователям доступно не более 10 % времени работы компьютера.

— Сколько времени надо, чтобы выполнить один алгоритм? Хотя бы примерно.

— От нескольких минут до… Молекула гидрида лития считается шесть часов, например.

— Это время когерентности?

— Нет, время когерентности, конечно, меньше. Чтобы посчитать молекулу гидрида лития, запускается около 200 цепочек расчетов. Там довольно сложные алгоритм и постобработка. Каждую цепочку нужно запускать от 1 тыс. до 8 тыс. раз — ​зависит от того, какие шумы допустимы.

— Когда соберете второй компьютер, один будет запускать алгоритмы, второй — ​модернизироваться?

— Да. Кроме того, мы бы хотели провести научные исследования, чтобы масштабировать квантовые компьютеры. Для этого нужен третий компьютер, а лучше и четвертый.

— Оба для научных исследований?

— Почти. Мы сейчас работаем с трехмерными ловушками. А для того, чтобы делать компьютеры с числом кубитов больше 50, нужно обязательно работать с планарными, то есть плоскими ловушками на чипах. Это отдельное направление. У нас уже изготовлены первые ловушки в сотрудничестве с Московским институтом электронной техники. Это пока не полноценный компьютер, нам нужно тестировать ловушки, смотреть, как захватываются ионы, делать новые модели. Фактически это еще одна система. Вот уже четыре системы, которые нужно иметь, чтобы проводить полноценные исследования в области квантовых вычислений.

— Это дорого?

— Да, но бюджета дорожной карты должно хватить. Вопрос, хватит ли времени.

— Можете сказать, когда будет готов второй квантовый компьютер для алгоритмов?

— Зависит от поставок оборудования. Когда мы только начинали, я ожидал, что к этому времени у нас будет четыре-пять установок. Но мы ждем поставок. Часть уже в России, чего-то не хватает. Тем не менее, надеюсь, к середине следующего года мы запустим вторую установку, может, даже третью. А дальше жизнь покажет.

Мировая практика

— Что сейчас происходит в области разработок квантовых компьютеров?

— В смысле железа самый мощный компьютер в мире насчитывает 20 кубитов. У систем с более объемным регистром точность кубитных операций недостаточно высокая. 20‑кубитный компьютер — ​разработка американской Quantinuum, которая раньше называлась Honeywell. Это частная компания, работающая на государственные деньги. Комбинация, когда в частную компанию загружаются государственные деньги, в мире показала себя очень хорошо, она делает самую крутую науку. И я надеюсь, что у нас такие схемы тоже со временем будут внедрены.

— Российский квантовый центр тоже частная компания.

— Да, в каком-то смысле это похожая схема. Но важно, чтобы в ней появилась коммерческая составляющая.

— А что продавать?

— Квантовый компьютер. Запросы приходят, люди заинтересованы.

— Речь о времени работы процессора?

— Не только, можно и саму оптическую систему продавать, люди готовы покупать.

— Уже можно?

— Да, это несекретная тема. Да и секретных вещей в XXI веке уже нет. Наработки той же Quantinum в открытом доступе. Некоторые частные компании немножко прикрывают информацию, но всегда понятно, что и как они делают, каков технологический статус. Похоже и у программистов устроено: если у тебя была технология и кто-то ее увел, то ты просто плохо работаешь и потерял преимущество. Конечно, не надо делиться идеями, которые ты еще не реализовал, но, когда все уже готово, можно публиковать. Так же и с квантовыми компьютерами — ​топовыми разработками не надо делиться, а системы прошлого поколения вполне можно продать.