В 2020 году в России при поддержке РВК и Минцифры запустились программы Лидирующих исследовательских центров. В рамках одной из них Российский квантовый центр совместно с ФИАН им. П. Н. Лебедева, Сколковским институтом науки и технологий и ФТИАН им. К. А. Валиева приступил к проекту по созданию ионного квантового процессора с облачным доступом. О том, с какими сложностями столкнулась команда, как шла работа над проектом и что ждет область отечественных квантовых технологий, рассказал Алексей Федоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра.
Сегодня о разработке отечественных квантовых компьютеров говорят практически ежедневно. Область квантовых вычислений переживает колоссальный рост: крупнейшие вузы и научные центры регулярно делятся успехами по наращиванию вычислительной мощности квантовых устройств и повышению точности их операций. Если пять лет назад эта область традиционно воспринималась фундаментальной наукой, то сегодня мы все чаще говорим о прикладных применениях, пилотных проектах и трансфере научных разработок в технологические продукты. Предлагаю начать разбор с основ: что такое квантовые вычисления, на чем они построены и о каких платформах все постоянно говорят в связке с ними.
От простого к сложному
Как мы знаем, минимальная единица информации в классических вычислениях — это бит. И в каждый конкретный период времени бит может принимать значение 0 или 1. Все операции, что мы совершаем на наших ПК, будь то интернет-серфинг, майнинг криптовалюты, компьютерная игра или просмотр фильма — все это на самом деле последовательность нулей и единиц, так воспринимает информацию устройство.
Прототип ионного квантового процессора ФИАН-РКЦ.
Квантовые устройства оперируют квантовыми «аналогами» битов информации — кубитами, которые способны одновременно находиться сразу в двух состояниях: и в 0, и в 1. Эта способность достигается за счет явления квантовой суперпозиции. Именно суперпозиция и еще одно квантовое явление — квантовая запутанность — позволяют квантовым компьютерам решать определенные задачи экспоненциально быстрее. Примерами таких задач являются криптоаналитика, моделирование сложных систем, обработка больших данных (big data).
Квантовые компьютеры могут работать на разной физике: это привычные полупроводниковые технологии, а также сверхпроводники, атомы, ионы и фотонные системы. На данный момент еще не очевидно, какая из платформ станет лидером, поэтому ученые развивают процессоры на каждой. Возможно, что для разных классов задач специалисты будут использовать различные квантовые вычислительные устройства, и выбор в пользу той или иной платформы будет осуществляться исходя из ее сильных сторон.
Ионы во главе угла
Одной из наиболее перспективных систем считаются ионы в ловушках. Именно эта система была предложена в качестве одной их первых физических реализаций квантового компьютера, так называемой модели Сирака-Цоллера. Также с использованием ионов была показана первая двухкубитная операция: в эксперименте 1995 года участвовал будущий Нобелевский лауреат Дэвид Вайнленд и будущий сооснователь компании-единорога IonQ Кристофер Монро.
При использовании ионов информация может кодироваться в их внутренние электронные состояния. Упростим максимально, чтобы разобраться в сложной теме: так, 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 лазеров. Благодаря тому, что ион обладает электрическим зарядом, его можно поймать и «подвесить» во внешнем электромагнитном поле — ионной ловушке. Ученые используют их, чтобы наращивать мощность квантовых компьютеров за счет увеличения числа частиц.
По ряду характеристик ионные кубиты считаются лидерами: время когерентности и качество операций в них значительно выше, чем в других платформах. Однако одним из вызовов является масштабируемость: так, если ионов в ловушке становится слишком много, они начинают «расталкивать» друг друга, и качество операций падает. На старте проекта Лидирующего исследовательского центра именно эта проблема стала ключевой.
От кубитов к кудитам
Результатом трехлетней работы ученых ФИАН и РКЦ стало создание прототипа ионного компьютера. В конце 2021 года была показана система из четырех кубитов, а в конце 2022 — прототип пятикубитного ионного квантового процессора.
Прототип квантового процессора состоит из большого количества подсистем. Условно всю работу можно разделить на несколько этапов:
- Ионы необходимо подготовить для кодирования информации. Для этого происходит многоступенчатый процесс охлаждения и их поимка в ловушку.
- Важно обеспечить возможность совершать индивидуальные операции с отдельными ионами. Здесь речь идет об однокубитных операциях.
- Для обмена квантовой информацией нужно организовать взаимодействие между ионами.
- Наконец, для получения результата необходимо считать состояние ионов.
Ключевой особенностью российского квантового процессора стало использование многоуровневых квантовых систем — кудитов. В отличие от кубитов, кудиты способны одновременно находиться в трех (кутриты), четырех (кукварты) и более состояниях сразу. В конце 2021 года российские физики построили систему из 2 куквартов, что полностью эквивалентно 4 кубитам. То есть вместо того, чтобы перепутывать 2 кубита со всеми сложностями этого процесса, можно взять один ион, в котором электрон может переходить не между двумя, а между четырьмя орбитами.
Как показали исследования, использование кудитов может улучшить масштабируемость и/или сократить сложность реализации квантовых операций за счет применения дополнительных уровней для хранения информации. Таким образом можно минимизировать количество межчастичных (двухкубитных) операций, качество которых обычно ниже, чем однокубитных.
Схема кодирования уровней ионного кудита
За последние несколько лет интерес к ионным кудитам резко вырос. В 2021–2022 годах в мире было продемонстрировано несколько кудитных процессоров: на основе ионов в России и в Австрии, два процессора на основе сверхпроводников в США (в том числе, компанией Rigetti), а также на основе фотонов Университетом Пекина. Можно смело сказать, что по такому оригинальному способу реализации квантовых процессоров Россия вошла в число пионеров.
Проблемы и их решения
Несмотря на то, что сегодня ресурсов квантового компьютера не хватает для решения осмысленных задач на уровне современных суперкомпьютеров, существующие платформы можно использовать для изучения квантовых алгоритмов и их устойчивости к ошибкам.
Совместная команда ученых из РКЦ и Сколтеха провела исследования по использованию ионного квантового процессора для реализации вариационных квантовых алгоритмов. Идея состоит в том, чтобы с помощью квантового процессора готовить определенные состояния, параметры которых итеративно меняются для оптимизации некоторого значения, например, энергии. Сегодня вариационные квантовые алгоритмы используются, например, в задачах квантовой химии. В ходе проекта ученым удалось доказать, что вариационная модель квантовых вычислений является универсальной.
Препятствием для решения полезных задач с помощью квантовых компьютеров является декогеренция, то есть процесс потери взаимодействия отдельных частиц в системе. Вспомним алгоритм работы квантовых вычислительных устройств. Необходимо приготовить регистр в определенных начальных квантовых состояниях, провести для них набор квантовых логических преобразований, а в конце произвести измерение. В ходе всех этих шагов — приготовления, манипуляций и измерений — могут возникать ошибки, поэтому реальное поведение квантовой системы может сильно отличаться от наших предположений.
Как в таком случае понять, какие именно состояния приготавливаются и какие именно квантовые преобразования выполняются? Здесь вперед выходит та сама задача характеризации квантовых состояний и процессов, то есть получения полной информации о них. Решением такой задачи в ходе проекта занималась группа во ФТИАН им. К. А. Валиева. В частности, команде удалось разработать методы квантовой томографии — полного восстановления квантовых состояний — для кудитов.
Пользоваться прямо сейчас
Несмотря на то, что квантовые компьютеры начинают продаваться как пользовательские устройства, гораздо более распространенный способ работы с ними — облачный доступ. Именно поэтому разработанный ионный квантовый процессор интегрирован в облачную платформу квантовых вычислений.
Пользовательский интерфейс облачной платформы квантовых вычислений
С использованием облачной платформы можно реализовать уже заготовленные квантовые алгоритмы: например, алгоритмы Гровера и Бернштейна-Визарани. Кроме того, можно создавать свои собственные квантовые алгоритмы и запускать их с помощью эмулятора квантовых вычислений или ионного квантового процессора. Программирование квантовых процессоров с помощью платформы уже было представлено в образовательных целях. Например, на Конгрессе молодых ученых в Сочи в рамках проекта «Урок цифры».
Созданная в ходе проекта ЛИЦ платформа квантовых вычислений не только показала быстрый прогресс в области ионных квантовых вычислений в России, но и заложила основу для будущего развития в этой области. Ионы остаются одной из лидирующих платформ в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям в России, а также продолжают приковывать интерес мирового научного сообщества. Естественный следующий шаг — масштабирование по количеству ионов с учетом возможности кудитного подхода, а также увеличение качества квантовых операций.
Как показывают исследования, на масштабе 50-70 кубитов, то есть 25-35 ионных куквартов, уже можно будет решать задачи на грани возможностей традиционных процессоров. Значит, по-настоящему полезное квантовое превосходство совсем близко.