Инженерное искусство влияет на быстродействие сильнее физики

Квантовый компьютер от IBM на 16 кубитах из 2017

В октябре 2019 компания Google заявила о достижении квантового превосходства – этим громким именем назвали тот этап развития квантовых компьютеров, на котором можно доказать, что они способны на то, на что не способны обычные. Заявление всё ещё остаётся спорным, поэтому ещё может оказаться, что нам нужна демонстрация получше.

Вне зависимости от этого заявления, интересно, что как Google, так и её критики из IBM выбрали в качестве основы для создания собственных квантовых компьютеров одну и ту же базу. Как и менее крупный их конкурент, Rigetti. Всё это говорит о том, что ландшафт квантовых вычислений более-менее стабилизировался за последнее десятилетие. Сейчас мы находимся в положении, когда можно выбрать вероятных победителей и определённых проигравших.

Почему ты проигравший?

Но почему победители побеждают, а проигравшие проигрывают?

В итоге всё сводится к инженерному искусству. Для создания практического квантового компьютера требуется сделать множество квантовых битов (кубитов). Эти кубиты должны оставаться в квантовом состоянии в течение нескольких логических операций. Для проведения этих операций нам надо уметь манипулировать кубитами как по отдельности, так и группами (хотя бы парами). И, конечно, нужна возможность считывать результат вычисления.

Многие такие возможности по отдельности были продемонстрированы при помощи кубитов, помещённых в жидкость, в ридберговских атомах, в конденсатах Бозе-Эйнштейна (КБЭ), в твердотельных системах, азото-замещённых вакансиях в алмазе (NV-центрах), дефектах кремния, пойманных ионах, в свете, и, естественно, в сверхпроводящих кольцах. Это неполный список, но большинство из перечисленных возможностей тупиковые, и по убедительным причинам. Хотя поведение кубита диктуют законы физики на уровне отдельных кубитов, как только вы задумываетесь о масштабировании, становится очень важным вопрос проектирования системы, и оказывается, что многие из этих вариантов не сильно поддаются масштабированию.

Случайность – это плохо

Ранее в этом десятилетии на первых местах гонки значились NV-центры, кремниевые вакансии и твердотельные материалы. Все эти материалы работают по схожим принципам: в кристалл вводится небольшое количество материала-загрязнителя. В алмаз вводят азот, в кремний – фосфор, в кристаллы иттриево-алюминиевого граната – иттербий.

В каждом материале кубиты формируются по похожим законам физики. Загрязняющий материал не удовлетворяет условиям связывания соседних атомов, в результате чего там остаётся изолированный электрон или положительно заряженное ядро (ион). Состояния этих изолированных объектов можно использовать как кубиты, и эти состояния могут оставаться неизменными очень долго – часто даже дольше их более успешных соперников.

Однако у этих технологий есть и фундаментальные недостатки. Хороший пример недостатков можно увидеть в NV-центрах алмаза. Каждый кубит состоит из одного электрона, находящегося в «подвешенном» состоянии по причине неспособности азота связаться с четырьмя атомами углерода. К электрону обращаются (для чтения и записи) оптическим методом. Поэтому первая проблема – найти в кристалле несколько изолированных вакансий, к которым можно было бы обращаться по отдельности. Оптическая адресация подразумевает, что эти вакансии находятся слишком далеко друг от друга, чтобы спариваться напрямую, поэтому операции с кубитами и их запутанность приходится проводить через оптические и микроволновые фотоны. К сожалению, микроволновое излучение спарится со всеми кубитами, уменьшая точность, с которой их можно контролировать.

Ещё хуже то, что все вакансии разные. Квантовые свойства вакансии определяются конкретным положением и типом окружающих её атомов. К примеру, в алмазе два распространённых изотопа углерода обеспечивают разницу, достаточно большую для того, чтобы наличие углерода-13 влияло на работу ближайших кубитов. Чтобы сделать кубиты одинаковыми, нужно применять локальные магнитные поля, изменяющие энергетические уровни состояний кубитов. Для этого нужно пропускать относительно большие токи через проходящие поблизости провода, одновременно изолируя эти эффекты так, чтобы они не влияли на другие кубиты.

По сути, все компьютеры на алмазных чипах будут разными, у них будет разное расположение кубитов с разными свойствами. Разводка проводов, гарантирующая, что локальные магнитные поля остаются достаточно локальными, чтобы влиять на отдельные кубиты, кажется безумно сложной. А потом ещё нужно поставить туда крохотные массивы линз (расположенных непосредственно на поверхности алмаза), чтобы связать все кубиты с внешним миром. Небольшая, подавленная часть моего мозга, понимающая инженерное дело, беззвучно кричит при одной мысли об этом.

Подобные проблемы есть практически у всех систем кубитов на основе вакансий, поэтому мы всё меньше слышим о них сегодня.

Стоит запомнить твердотельные системы

В случае с ионами в кристалле, такими, как иттербий в кристалле иттриево-алюминиевого граната, всё немного не так. Тут квантовое состояние обычно не хранится в единственном ионе иттербия. Вместо этого состояние распределяется на популяции ионов, что делает систему невероятно прочной – это одни из наиболее долгоживущих квантовых состояний. Однако это затрудняет определение местоположения кубита. Ведь положение определяется оптикой, фокусирующей свет, используемый для записи и чтения квантовых состояний.

По сути, состояние кубитов задаётся световыми импульсами, взаимодействующими со многими ионами в теле кристалла. Чтобы работать с достаточно большим количеством кубитов, требуется очень сложная оптическая система. И это даже без учёта необходимости иметь возможность запутывать кубиты и проводить логические операции. Опять-таки, схема не способствует созданию полноценного квантового компьютера. С другой стороны, эти кристаллы отлично подходят на роль квантовых ячеек памяти, и могут ещё найти применение в этих ограниченных рамках.

Нейтральность = безразличие

Отходя ещё дальше от практических подходов, мы встречаем более экзотические варианты – ридберговские атомы (РА) и КБЭ.

РА создаются переводом самого внешнего электрона в атоме в состояние с чрезвычайно высокой энергией. В таком состоянии орбиты электронов напоминают орбиты планет, вращающихся вокруг звезды. Кубит работает на базе переходов между различными ридберговскими состояниями. Состояния можно задавать и считывать при помощи оптических импульсов и испускания фотонов. Холодные РА можно оптически улавливать, удерживая их в одном месте, благодаря чему к ним можно обращаться при помощи оптической системы.

К сожалению, сама их природа не даёт им взаимодействовать друг с другом напрямую, поэтому операции с кубитами нужно проводить через обмен фотонами. А это, как и в случае с ионами в кристаллах, чрезмерно усложняет оптическую систему и процедуру вычисления для того, чтобы эту систему можно было превратить в успешную. А ещё такие кубиты довольно сложно создавать. Приведение большого количества РА в идентичное начальное состояние – задача не из тривиальных.

КБЭ обеспечивает чудесное квантовое состояние, которым можно манипулировать, как и поддерживать, с очень большой точностью. И его относительно легко создать. Но, как и у РА, это квантовое состояние не влияет на квантовое состояние соседних КБЭ напрямую, из-за чего из них очень сложно строить логические схемы.

Это легко определяемое качество победителя

Сравним это с квантовыми компьютерами на ионных ловушках и сверхпроводящими КК. В случае ионных ловушек квантовое состояние хранится на отдельных пойманных ионах, и считывается с них же. Кубиты могут напрямую взаимодействовать друг с другом благодаря движению в ловушке, а также через испускание и поглощение света и микроволн. Эта оптическая система всё равно остаётся сложной, но упрощается благодаря использованию микроволн и движений в ловушках, отвечающих за выполнение определённых операций. Этого оказывается достаточно, чтобы создание системы было практически выполнимым.

Сверхпроводящие кубиты изготавливают. Их квантовые свойства, вероятно, худшие из всех соперников. Однако тот факт, что их производят, позволяет их строго контролировать. Логические операция, назначение и считывание состояний кубитов, хранение – всё это можно спроектировать так, чтобы компьютер работал как можно дольше. Именно это ощущение контроля придало инженерам уверенность, благодаря чему они начали масштабировать количество кубитов.

Фотонные кубиты – это самый экзотический из трёх лидеров. Они не стоят на месте, поэтому для проведения операций с ними требуется очень чёткое согласование по времени, поскольку два или более кубитов должны наложиться друг на друга во времени и в пространстве. Это требование усложняет проектирование фотонных схем. Но при помощи специальной компьютерной программы это возможно.

Проблема в том, чтобы сделать фотонную схему программируемым. Это сложно, но не настолько, чтобы инженер заорал в испуге и убежал. В этом смысле у фотонных кубитов ещё есть шанс остаться в лидерах.

Главное – стоимость

Останется ли у нас единственная технология, чтобы править всеми? Думаю, что в принципе, да, одна технология будет доминировать. Думаю, что выиграют фотонные квантовые компьютеры, хотя пока что всем рулят сверхпроводящие кубиты. По сути, всё сводится к стоимости: платы на сверхпроводящих кубитах гораздо дешевле производить, по сравнению с компьютерами на ионных ловушках или фотонными схемами. Однако фотонные схемы похожи на интегральные тем, что с ростом масштаба падает стоимость. Поэтому на больших объёмах разница в цене будет малой.

А потом ещё есть стоимость их работы. Компьютеры на ионных ловушках требуют вакуумных систем с дорогими насосами, а сверхпроводящие кубиты работают при температурах ниже температуры жидкого гелия. Гелий дорогой, да и рефрижераторы растворения тоже недешёвые. Подобных расходов у фотонных схем нет.

Да, на пути у фотонных схем, догоняющих других соперников, есть трудности проектирования, но когда мы их преодолеем, стоимость будет значительно играть на руку фотонике. Рискую показаться футуристом (извините, мне от этой мысли сейчас станет плохо), первые два-три поколения КК будут смесью сверхпроводящих кубитов и ионных компьютеров, а потом их нагонят фотонные КК. К четвёртому поколению уже никто не будет знать, что такое трансмонный кубит.

Так что благодарен степперам за то, что они дали мне доступ к потрясающему световому квантовому компьютеру.