28 февраля 2022

В России создан прототип квантового компьютера на ионах иттербия

Страна Росатом

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 — ​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.

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.

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.