Создан прототип квантового компьютера на ионах иттербия

Российские ученые получили первые значимые результаты на пути создания квантового процессора на базе ионов. Это одно из направлений, которое курирует «Росатом» в рамках дорожной карты «Квантовые технологии».

«Примерно за полтора года 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 %», — ​заявил директор Физического института Академии наук (ФИАН) Николай Колачевский на заседании научного совета РАН «Квантовые технологии» в декабре прошлого года. Разберемся, что сказал ученый.

Кубит, кудит

Кубит — ​это минимальная единица информации квантового процессора. Если бит (единица информации обычного компьютера) может принимать только два значения — ​0 или 1, то кубит может находиться еще и в суперпозиции: быть одновременно и в значении 0, и в значении 1.

Физически кубит — ​это система с двумя энергетическими уровнями, под одним из которых понимается логический 0, под другим — ​1. Создать такую систему можно на разных основах. В рамках дорожной карты «Квантовые технологии» разрабатывают кубиты на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. В совместной лаборатории ФИАНа и Российского квантового центра (РКЦ) экспериментируют с ионами иттербия, они считаются наиболее подходящими для создания квантового компьютера.

Кудит — ​это кубит с тремя и более энергетическими уровнями. Его можно представить как дом с несколькими этажами. «Переход с одного энергетического уровня на другой — ​это изменение состояния электронной оболочки иона. При этом изменяется волновая функция электронной оболочки иона», — ​комментирует научный сотрудник ФИАНа Илья Семериков.

Именно в операциях с кудитами и заключается главное достижение лаборатории. Ученые работали с двумя куквартами. Кукварт — ​это кудит, способный одновременно находиться в четырех электронных состояниях. В итоге был создан процессор, эквивалентный четырехкубитному квантовому компьютеру — ​системе из четырех ионов с двумя энергетическими состояниями в каждом.

Как это работает

Чтобы создать из атома иттербия ион, металл испаряют, из паров выбирают изотопы иттербий‑171 и воздействуют на них лазером, чтобы удалить с внешней орбитали один электрон. Ионы помещают в ионную ловушку — ​систему электродов, которая создает быстро колеблющееся электромагнитное поле. Вся система находится в вакууме.

Управляют ионами с помощью лазеров. Сначала лазерные импульсы охлаждают ионы практически до абсолютного нуля (–273,15 °C). Для выполнения квантовых алгоритмов используется другой лазер, с очень узким спектром — ​порядка 1 Гц. Ученые предельно точно контролируют, куда светит лазер, его частоту, интенсивность и фазу. Изменяя эти параметры, можно управлять квантовыми состояниями иона.

Каждый энергетический уровень кукварта можно представить как состояние пары кубитов: первый — ​00, второй — ​01, третий — ​10, четвертый — ​11. «Если взять пару ионов с энергетическими состояниями 1 и 4, то состояние эквивалентного квантового регистра из четырех кубитов будет 0011, а у пары с состояниями 2 и 3 состояние регистра будет 0110», — ​комментирует Илья Семериков. На этом компьютере уже можно реализовывать простейшие алгоритмы, в частности Дойча — ​Йожи и Гровера. Первый применяется для определения типа функции (константная или сбалансированная), второй — ​для быстрого поиска в неупорядоченной базе данных.

Есть проблемы

На заседании научного совета РАН Николай Колачевский обозначил важную проблему, которую предстоит решить, — ​перепутывание кубитов. Это процесс, в ходе которого состояние одного из ионов изменяется в зависимости от состояния другого. «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», — ​сказал Николай Колачевский. Российским ученым удалось перепутать два кукварта по методу Мельмера — ​Серенсена, предложенному в начале 2000‑х. Он основан на возбуждении колебаний ионов в ловушке под действием лазера. Совместные колебания ионов в ловушке — ​это шина данных квантовой информации между частицами.

Еще одна проблема — ​индивидуальная адресация к каждому иону. Расстояние между ионами в ловушке — ​всего 4–5 мкм, поэтому сложно посветить лазером на один, не задев другой. Сотрудникам лаборатории это удалось с двумя и четырьмя ионами.

Третья проблема — ​создание облачной платформы и организация доступа с ее помощью к прототипу квантового процессора. Первые дистанционные эксперименты уже проводятся, но для полноценной интеграции требуется окончательное согласование интерфейсов. Работы запланированы на этот год, в них будут участвовать специалисты «Росатома» и РКЦ.

Четвертая проблема — ​повышение достоверности операций. Процент достоверности, или фиделити, — ​это показатель вероятности корректного вычисления. Он определяется после серии экспериментов. Данные обрабатываются, усредняются, и вычисляется достоверность. «Пока хвалиться особенно нечем, потому что все это уже сделано зарубежными коллегами, правда, на другой физической системе — ​на кальции, но довольно давно, — ​признал Николай Колачевский. — ​Впрочем, учитывая наши возможности и то, что это первый подход к снаряду, получен, на мой взгляд, обнадеживающий результат, который позволяет взяться за оптимизацию качества операций». Для сравнения, команды компаний IonQ и Quantinuum — ​лидеров в создании квантовых компьютеров на ионах — ​уже работают с 10- и 20‑ионными кубитами в каждом процессоре, и достоверность двухкубитных операций у них превысила 98 %.

«Платформа на ионах демонстрирует одни из самых интересных результатов, что особенно примечательно, так как пять лет назад ионы не считались приоритетным направлением развития. Для нас это первый значимый результат в работе над дорожной картой по квантовым вычислениям», — ​отмечает руководитель проектного офиса по квантовым технологиям «Росатома» Руслан Юнусов.

СПРАВКА

В 2021 году «Росатом» выделил на развитие квантовых технологий и создание исследовательской инфраструктуры более 6 млрд руб­лей. На эти деньги купили оборудование и другие компоненты для оснащения лабораторий. В общей сложности до 2024 года в направление будет вложено более 23 млрд руб­лей из бюджетных и внебюджетных источников. К концу 2024 года должен быть построен универсальный квантовый компьютер с облачным доступом.