История квантовых компьютеров насчитывает примерно 26 лет. В статье уважаемого @dionisdimetor на Хабре доступно изложена не только хронология развития этих устройств, но и объяснены и проиллюстрированы принципы квантовых вычислений, суть суперпозиции и её распада. В настоящее время область квантовых вычислений уверенно коммерциализируется: платформы для квантовых вычислений выносятся в облако, и к ним открывается доступ с обычных компьютеров. Среди заметных примеров — процессор Osprey с 433 кубитами от компании IBM, представленный в конце 2022 года и компьютер Borealis на 216 кубитов от канадской компании Xanadu Quantum Technologies, который в середине 2022 года был подключён к Интернету. Но в третьем десятилетии XXI века квантовые вычисления вплотную подошли к трудноразрешимой проблеме: как защитить кубиты от спонтанной декогеренции, возникающей под действием любого электромагнитного излучения, в частности, космических лучей и естественного радиационного фона. Об этом поговорим под катом.

Квантовые компьютеры по двум основным причинам претендуют на роль ключевой вычислительной технологии XXI века. Во-первых, на них достигается квантовое превосходство – эффект, благодаря которому за секунды или минуты на квантовом компьютере могут выполняться вычисления, на которые классический компьютер потратил бы тысячи лет. Во-вторых, в качестве вычислительных единиц в квантовом компьютере могут использоваться любые элементарные частицы или атомы, между которыми возникает состояние квантовой запутанности (entanglement). Кроме того, нам повезло, что наша информатика фундаментально двоичная, а кубит, выходящий из состояния запутанности, также оказывается в одном из двух состояний, которые можно обозначить как 1 или 0. 

Уже известно, что эффекты, на которых основана работа квантовых компьютеров, крайне уязвимы к воздействию окружающей среды. Из-за этого в современных квантовых компьютерах происходит примерно одна ошибка на 1000 операций, и этот показатель недопустимо высок. Для практического применения таких вычислений требуется снизить количество ошибок в миллиард раз или более.

Кубит — это логический элемент квантового компьютера, двухуровневая квантовая система, в которой заключена информация. В качестве кубитов обычно используются куперовские пары элементарных частиц. В составе кубита частицы находятся в суперпозиции, то есть в двух состояниях одновременно. Суперпозиция обычна в микромире, а наиболее известный пример, объясняющий, как она могла бы выглядеть в макромире – это «кот Шрёдингера». Суперпозиция всегда распадается на столько состояний, сколько частиц в ней запутано, и поэтому квантовые вычисления по природе своей легко распараллеливаются.

Тем не менее, перед распадом суперпозиции заключённая в ней операция должна быть доведена до результата, а сам этот результат – извлечён и учтён при последующих вычислениях, поскольку при распаде суперпозиции вся содержавшаяся в ней информация теряется. Для повышения стабильности кубитов, равно как и для ускорения операций над ними, эти запутанные пары требуется держать при температурах около абсолютного нуля. Также именно при таких температурах возникает состояние сверхпроводимости, поэтому возникает целая научная дисциплина, занятая разработкой сверхпроводящих кубитов.

Уже в 2021 году специалисты из компании Google провели исследование, показавшее, что сверхпроводящие контуры крайне уязвимы к действию высокоэнергетических лучей, постоянно бомбардирующих нашу планету из глубокого космоса. Именно космические лучи — основная причина декогеренции кубитов. При этом на поверхности Земли защититься от космических лучей невозможно.

Проблема устранения электромагнитных помех при работе с квантовыми компьютерами не нова. Разработаны методы коррекции ошибок при квантовых вычислениях, но простой электромагнитный шум обычно может нарушить состояние лишь нескольких кубитов, и эта ситуация легко отслеживается. Космические лучи, напротив, в состоянии вывести из когерентного состояния сразу целый чип. Именно такую ситуацию взялись сымитировать и постараться исправить специалисты Google под руководством Цянь Сюя (Qian Xu) из Чикагского университета. Ниже рассмотрим, как именно возникают ошибки в кубитах.

Как возникают ошибки в кубитах

Чтобы обеспечить предсказуемую работу квантового компьютера, каждую пару кубитов нужно как можно дольше удержать в состоянии суперпозиции. Тогда как в 1999 году такая суперпозиция продолжалась в течение считанных наносекунд, в 2020 её длительность уже превысила 200 микросекунд. Но, чем дольше длится суперпозиция, тем выше вероятность, что в квантовое устройство попадёт космический луч, фактически — пучок высокоэнергетических электронов. Этот пучок нагревает субстрат с кубитами на доли градуса, но этого достаточно, чтобы нарушить состояния кубитов. Более того, от такого попадания по устройству проходит волна электронов, рассеивающихся при столкновении с атомами. Это приводит одновременно к нагреванию материала и к нарастанию вибраций; оба процесса способствуют декогеренции. Также вокруг кубита непредсказуемо меняется электрическое поле. 

В качестве эксперимента команда Google выбрала в тестовом квантовом процессоре 26 кубитов и перевела их все в одно состояние. После этого процессор оставили работать в режиме ожидания на 100 микросекунд и проверили, изменилось ли состояние кубитов, и если да — то сколько кубитов затронули изменения.

Под действием типичного фонового электромагнитного шума за такое время 4 из 26 кубитов меняли состояние с возбуждённого на основное. Но под действием пучка квазичастиц, аналогичного космическому лучу, состояние изменилось у 24 из 26 кубитов.  

На этой иллюстрации «g» означает «ground» (основное состояние), а «e» — «excited» (возбуждённое состояние). Чтобы подтвердить, что ошибка вызвана именно воздействием космических лучей, учёные наблюдали, как конкретно меняется состояние. Известно, что космические лучи состоят из квазичастиц, а квазичастица при попадании в кристаллическую решётку быстро теряет энергию. Поэтому она не может поднять кубит из основного состояния в возбуждённое. Но она может ухватить часть энергии у кубита, из-за этого сбросив его из возбуждённого состояния в основное. Именно это и подтвердил опыт: при бомбардировке космическими лучами ошибки происходят гораздо чаще, если до попадания пучка большинство кубитов находятся в возбуждённом состоянии. Группа Сюя предусмотрительно расположила кубиты на расстоянии 15 миллиметров друг от друга, но зафиксировала, что ошибка всё-таки распространяется от поражённого кубита на соседние и так далее, постепенно затухая. Группа пришла к выводу, что переносчиками ошибки в данном случае являются квазичастицы-фононы.

В дальнейших экспериментах группа попробовала распределять данные квантового компьютера по нескольким чипам. Во-первых, так увеличивается расстояние между отдельными кубитами (меньше кубитов на чип), во-вторых, при попадании космического луча по одному чипу все данные на нём стираются, но на остальных чипах — сохраняются.

При попадании космических лучей в один из информационных чипов перезапускать компьютер и повторять вычисления не приходится, так как все данные можно восстановить на основе вспомогательного чипа. В модели Сюя вспомогательный чип дополнительно экранируется и даже может перенести попадание пары пучков, имитирующих космические лучи.

Экспериментируя с топологией информационных чипов, группа Сюя добилась того, что ошибки, связанные с попаданием космических лучей, возникают в их компьютере в среднем не чаще одного раза в 51 день. Достижение впечатляет, однако здесь зафиксируем: при попадании космических лучей в незащищённый кубит вся информация в нём стирается.  

В 2021 году было проведено и другое исследование под руководством Джонатана Дюбуа из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, штат Калифорния. Также в этой работе участвовали учёные из университета штата Висконсин в Мэдисоне и представители корпораций, в частности, Google. Группа Дюбуа подготовила тестовый стенд, представлявший собой систему из четырёх запутанных кубитов, которую затем облучали радиочастотными импульсами, имитировавшими космические лучи. При этом измеряли спектр возбуждения кубитов, наблюдая, как быстро кубит перейдёт из состояния 0 в состояние 1.     

Для оценки нарушений исследователи бомбардировали радиосигналами систему из четырёх кубитов, измеряя при этом спектр их возбуждения. Опыт показал, что при попадании радиосигнала в систему энергия кубита действительно снижается, но та часть энергии, которую теряет поражённый кубит, преобразуется в вибрации и волнообразно перераспределяется на другие кубиты. Именно так распространяется ошибка.   

Излучение природных радионуклидов

Естественный радиационный фон — это совокупное электромагнитное излучение, которое складывается из воздействия космических лучей, долгоживущих естественных радионуклидов, а в наше время — и из воздействия техногенных радионуклидов.  Основными источниками естественного радиационного фона на Земле являются изотопы ⁴⁰K (период полураспада около 1,3 миллиарда лет), ²³⁸U (период полураспада 4,5 миллиарда лет) и ²³²Th (период полураспада 14,05 миллиарда лет). От этих элементов исходит преимущественно гамма-излучение. В свою очередь, космические лучи при взаимодействии с атомами (и кубитами) порождают мюоны и нейтроны. В масштабах одного квантового чипа естественный радиационный фон может достигать энергии в сотни килоэлектронвольт (кЭв). В подложке квантового компьютера эта энергия не образует частиц, а пребывает в диффузном состоянии, которое описывается как квазичастицы-фононы. Фонон — это квант колебательного движения в атомной решётке, в зависимости от частоты он может фиксироваться как теплота или как звук. Отпечаток фонона в кристаллической решётке гораздо больше, чем у элементарной частицы, как правило, фонон интерферирует сразу со множеством кубитов в квантовом компьютере. Поскольку фонон больше похож на волну, чем на частицу, провоцируемые одним фононом изменения в разных кубитах коррелируют друг с другом. Соответственно, корректировать возникающие ошибки также можно при помощи общего алгоритма. Но исключить влияние природных радионуклидов в обычной среде ещё сложнее, чем экранировать квантовый компьютер от космических лучей.  

Максимальная длительность когерентности кубитов

Уже в 2020 году коллаборация сотрудников из нескольких институтов (в частности, Массачусетского технологического института, лаборатории имени Линкольна при MIT в Лексингтоне, Гарварда и Северо-западной тихоокеанской лаборатории) во главе с Уильямом Оливером, Джозефом Формаджо и Антти Вепсалайненом опубликовала статью «Воздействие ионизирующего излучения на когерентность сверхпроводящих кубитов». Формаджо — специалист по физике нейтрино, поэтому имеет опыт наладки экранирования даже от самого проникающего фонового излучения. Оливер и Формаджо решили исследовать, как естественный радиационный фон влияет на сверхпроводящие кубиты. Для этого требовалось подобрать хорошо изученный радиоактивный изотоп, чьё излучение медленно снижается и постепенно сравнивается по уровню с естественным радиационным фоном. В таком качестве выбрали медь-64 с периодом полураспада 12,7 часов. Два диска из чистой стабильной меди-63 облучали нейтронами и гамма-лучами в течение нескольких минут. После того, как значительная часть атомов в образце превращалась в медь-64, диски помещали в непосредственной близости от двух кубитов, находящихся в запутанном состоянии и охлаждённых до температуры около 120 милликельвинов. В таких условиях когерентность кубитов сохранялась на протяжении не более 4 миллисекунд, что всё-таки в двадцать раз больше упомянутого выше показателя в 200 микросекунд, наблюдаемого при естественном радиационном фоне. Этот опыт демонстрирует, что совокупное воздействие космических лучей, естественного радиационного фона, электромагнитных помех, а также любых температур хотя бы на пару градусов выше абсолютного нуля исключает использование квантовых компьютеров в каких-либо «полевых» или «бытовых» условиях. При этом путь к высокотемпературной когерентности во многом повторяет путь развития высокотемпературных сверхпроводников. В 2021 году коллаборация из США и Японии довела срок когерентности твердотельных кубитов до 22 миллисекунд при температуре 5К, а в 2024 году учёные из университета Кюсю заявили о получении когерентных кубитов при комнатной температуре (до 403 K) в металлорганическом соединении. Когерентность сохранялась в течение около 100 наносекунд.   

Канадский щит и лаборатория SNOLAB

Чтобы попытаться справиться с вышеописанными проблемами, в Канаде запустили работу новой коллаборации, в которой участвуют представители шведского Технологического университета имени Чалмерса, Института квантовых вычислений при университете Ватерлоо и лаборатория SNOLAB близ города Садбери в провинции Онтарио, Канада. Проект называется «CUTE» — дословно «криогенный подземный испытательный комплекс».

В рамках данного исследования университет Чалмерса изготавливает сверхпроводящие кубиты, которые будут протестированы сначала на поверхности в Швеции и Канаде, а затем в отработанной шахте Вейлс-Крейтон в провинции Онтарио. Шахта находится в двухкилометровой толще древних пород с максимально низким естественным радиационным фоном, а космические лучи на такую глубину не проникают. Предполагается, что когерентность кубитов в CUTE будет испытана при температурах 300 K, 50 K, 4 K, 1 K, 100 mK и 10 mK, но на момент подготовки данной статьи результаты этих опытов либо не получены, либо отсутствуют в открытом доступе.

Заключение

Итак, в начале XXI века квантовые вычисления оказываются технологией, которая, с одной стороны, принципиально превосходит возможности классических компьютеров и может привести к полному моральному устареванию закона Мура. С другой стороны, естественный электромагнитный фон и температуры даже в несколько кельвинов пока остаются почти непреодолимым барьером, не позволяющим удержать кубиты в когерентном состоянии в течение хотя бы одной секунды. Тем не менее, уже складываются предпосылки для подбора локаций, где можно было бы размещать промышленные квантовые компьютеры — по-видимому, они могли бы работать в местах наподобие Камиоканде и других детекторов нейтрино. Ранее я писал о подобном «переиспользовании» научных мегапроектов в публикации «Случай является на помощь тому, кто неустанно ищет». Интересно было бы почитать, насколько подходят для размещения квантовых компьютеров глубокие пещеры на других небесных телах, подобные тем, что найдены на Меркурии, либо марсианские лавовые трубки.