Все что вы хотели знать о кубитах, но боялись спросить

Квантовые вычисления — непростая тема. С просьбой объяснить, что это такое, мы обратились к ученому, который создает квантовые процессоры. Завлабораторией сверхпроводящих метаматериалов МИСиСа, руководитель группы «Сверхпроводящие квантовые цепи» в Российском квантовом центре, профессор Алексей Устинов помог разобраться в том, какова материальная основа единицы квантовой информации — кубита — и как действуют процессоры на базе сверхпроводников.

СЛОВАРЬ

Кубит — квантовый разряд, наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два состояния — 0 и 1, но при этом может находиться в суперпозиции — может принимать одновременно оба значения.

Фотон — фундаментальная частица, квант электромагнитного поля. В виде фотонов испускается и поглощается электромагнитное излучение. Фотон имеет свойства как частицы, так и волны. У него нет ни электрического заряда, ни массы.

Физически кубит на базе сверхпроводников представляет собой пластинку 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 алюминий

Он становится сверхпроводником при температуре 1,2 К. В сверхпроводнике электрический ток течет без сопротивления — оно равно нулю.

Сверхпроводник по своим физическим свойствам становится системой, минимальная энергия которой хорошо определена, а следующее возможное значение энергии кольца с джозефсоновским переходом отделяется небольшой щелью. Такая система фактически имеет два уровня энергии. Это и есть материальная основа кубита — квантовая система с двумя уровнями энергии, которая нужна для того, чтобы делать вычисления.

Сколько живет кубит

Чтобы проводить вычисления, необходимо управлять переходами с минимального уровня энергии на следующий и удерживать систему на этом уровне как можно дольше.

В отличие от обычных компьютеров, для сверхпроводниковых кубитов потеря кванта энергии — это потеря информации, то есть конец жизни кубита как единицы информации. Квантовая система теряет энергию легко: она улетучивается в пространство в виде фотонов или переходит в тепло — сверхпроводник нагревается, а энергия теряется.

Удержать кубит в возбужденном состоянии — большая технологическая и пока до конца не решенная проблема. В первых экспериментах в Японии в 1999 году кубит жил (удерживал энергию на верхнем уровне) лишь наносекунду. Благодаря исследованиям физиков всего мира за последние годы произошел экспоненциальный рост срока жизни кубитов. Сейчас они живут несколько десятков, иногда даже сотен микросекунд. Рост стал возможен благодаря тому, что ученые тщательно изолируют кубиты от окружения и воздействия неблагоприятных факторов.

Минимальный набор для квантового вычисления — пара кубитов, которая управляется двухкубитными вентилями. Вентили — логические операции по обработке информации («и», «или», «нет» и т. д.), они есть и в обычных компьютерах. Благодаря объединению фотон (читай — энергия и информация) не теряется, а передается от одного кубита к другому.

Переход с минимально возможного уровня энергии на следующий инициируется за счет воздействия на кубит коротким импульсом микроволн с частотой в несколько гигагерцев, что соответствует длине волны в несколько сантиметров. У таких волн энергия фотонов низкая (энергия излучения, напомним, обратно пропорциональна длине волны). Но температурные флуктуации (отклонение от среднего значения случайной величины) могут легко разрушить квантовую систему. Чтобы это не произошло, температура системы должна быть еще ниже, чем это необходимо 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 нашей стране такие есть во ВНИИА, МГТУ, МФТИ, МИСиСе и Российском квантовом центре.

Как избавиться от ошибок

Чтобы кубиты могли взаимодействовать, необходимо объединить их в цепи, по аналогии с транзисторами. Когда кубиты соединены в схему, работающую по алгоритму, в ней можно запустить сложное вычисление.

Создание цепей — задача не только математическая (надо написать алгоритм), но и аппаратная. Нужна электроника, которая может 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 50. Физикам, как и родителям, нужны все более сложные средства управления квантовыми «капризными детьми».

Помимо самого выполнения вычислений нужно, чтобы итог этих вычислений был корректным. В России безошибочность выполнения однокубитных операций (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.

Для обычных компьютеров задача избавления от ошибок уже решена, для квантовых решение только предстоит найти. Один из вариантов — создать логический кубит. «С помощью некоторых ухищрений (предлагаю не вдаваться 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: когда два наблюдателя смотрят на кубит, они одновременно заметят, что ошибка возникла. Как только возникает совпадение этих двух событий, мы говорим: да, произошла ошибка», — ​поясняет Алексей Устинов. Правда, пока ни одна из команд, работающих над квантовыми процессорами на сверхпроводниках, к решению этой задачи на практике не приблизилась.