Что такое квантовый компьютер и как он работает?

Александр Борисенко — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» Российского квантового центра и научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. Последние пять лет занимается квантовыми вычислениями, в том числе — на ионах иттербия. Александр — один из создателей самого мощного квантового компьютера в России (на данный момент) — 50-кубитного квантового компьютера.

Специально для сайта канала «Наука» Александр Борисенко разъяснил принцип работы квантового компьютера.

Что такое кубит и суперпозиция?

Квантовую физику мало кто понимает сразу. Но можно приводить аналогии, которые наиболее приближены к действительности. Начнем с ключевых понятий устройства квантового компьютера.

Кубит — это в принципе любая квантовая система, у которой есть два уровня, два состояния, и ее можно переключать между этими двумя состояниями. Кубит можно сравнить с монеткой, у которой есть две стороны: орел и решка. 

И есть такое понятие как суперпозиция, оно относится к одному кубиту. Вот мы подбросили монетку и не знаем, какой стороной она приземлится. Пока она находится в процессе полета и ее состояние не определено, она находится в суперпозиции. В квантовых вычислениях это может быть показано как «орел, решка и орел-решка» одновременно в какой-то пропорции или «0, 1 и 0-1» одновременно. И только когда она падает, ее состояние «проецируется» в одно из двух (выпал орел или решка). В конце вычислений все монетки падают на стол, и мы видим, какая монетка в каком состоянии. 

Подбрасывая монетку много раз, можно посчитать в какой пропорции «орла» и «решки» она была в процессе полета. В конце измерения важно, что квантовое состояние проецируется — происходит коллапс волновой функции: когда у нас из орла и решки выделяется какое-то одно значение.

Примечание: Коллапс волновой функции — мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении. Как если бы подброшенная монетка «застыла» в воздухе, а при наблюдении мгновенно стала орлом или решкой.

Квантовая запутанность — основа вычислений

Второе важное свойство — квантовая запутанность. Представим, что состояние одной монетки зависит от состояния другой. Даже если монетки будут разнесены на большое расстояние, то они будут, образно говоря, чувствовать друг друга: у них одно неразделимое состояние на двоих. Предположим, мы изначально подготовили такое состояние, когда у нас выпадают на двух монетах одинаковые значения. Тогда, глядя на одну монетку, мы знаем, что вторая монетка в тот же момент оказывается в определенном значении. Такие состояния подготавливаются запутывающими операциями. 

В квантовых вычислениях используется комбинация этих однокубитных операций, позволяющих создавать суперпозиционное состояние, когда мы воздействуем на одну монетку, и двухкубитных операций, когда мы умеем запутывать состояния разных монеток, а в конце проводим проецирующее измерение.

В чем преимущество квантовых вычислений?

Если мы в классическом компьютере добавляем один бит, то это довольно мизерное изменение. А если мы в квантовой системе увеличиваем регистр на один кубит, то мы делаем систему размерности не 2^n (два в степени n), а 2^(n + 1) (два в степени n плюс один), то есть идет экспоненциальное увеличение мощности вычислителя. Именно поэтому все ученые борются за количество кубитов. 

Мощность системы растет экспоненциально с увеличением количества кубитов при сохранении высоких достоверностей операций.

Квантовые вычисления полезны тем, что они делаются «параллельно». Здесь можно провести аналогию с заходом в лабиринт. Как мы прокладываем в нем путь? В классическом варианте мы сначала проверим один путь, упремся в тупик, отойдем назад на один шаг, посмотрим, какие еще есть пути. Перебором мы найдем выход. А квантовый компьютер делает проще и быстрее: проверяет все пути одновременно.

Здесь можно провести аналогию с водой. Когда мы выливаем большой объем воды, она естественным образом находит дорогу, по которой может вытекать. Оптимальный конечный путь оказывается там, где вода выходит из нашего лабиринта. В этой аналогии путь становится очевиден мгновенно. 

В квантовой физике за это отвечает интерференция — одно из ключевых квантовых явлений, лежащих в основе работы квантовых компьютеров. Она позволяет управлять вероятностями состояний кубитов, усиливая нужные и подавляя ненужные результаты вычислений.

Как выглядит квантовый компьютер и что он умеет?

Большинство квантовых компьютеров выглядят довольно похоже. Это большая комната с оборудованием. Если говорить про нашу систему — квантовый компьютер на ионах иттербия-171 располагается в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Российской академии наук, в совместной лаборатории с Российским квантовым центром. Это комната со специальным столом размером 1,5 м на 3,5 м, на котором расположены оптические элементы и различная электроника. 

Мы захватываем несколько ионов иттербия в ловушку Пауля, они выстраиваются в цепочку, и лазерными импульсами мы можем воздействовать на всю цепочку целиком или на отдельные частицы независимо. Воздействие лазерным импульсом позволяет, во-первых, охлаждать частицы до низких температур (это необходимо, чтобы уменьшить шумы), во-вторых, выполнять квантовые операции, в-третьих, считывать состояние после выполнения квантового алгоритма.

Сейчас у нас получилось сделать систему с 50-тью кубитами.  Если обычно одна частица кодирует один кубит, то у нас используется четыре уровня в каждой частице, что эквивалентно двум кубитам. Таким образом, мы можем более эффективно хранить и обрабатывать информацию в процессе квантовых вычислений. Мы захватываем 25 частиц ионов иттербия и кодируем 50 кубит.

При этом очень важно, с какой достоверностью мы можем проводить операции. Всем хочется, чтобы достоверность была единица — 100%. А у нас она чуть ниже. Для однокубитных операций — около 0,999, для двухкубитных — 0,95, то есть немного похуже, чем хотелось бы.

В мире сейчас есть квантовые вычислители с большей достоверностью. Но мы находимся на достаточно хорошем уровне по сравнению с остальными. Наша 50-кубитная система собиралась пять лет: постепенно, год за годом, и продолжает совершенствоваться. 

Место России в квантовой гонке

Квантовая гонка идет последние 20 лет. Лидерами все еще являются американцы. Китай и Россия —  стараемся настичь. Европейцы тоже имеют довольно хорошие системы. 

В целом, над квантовыми вычислениями ученые экспериментально работают с 2000-х годов. Первые двухкубитные операции были показаны еще до нулевых годов. В этом плане мы начали существенно позже американцев и европейцев, но успели довольно хорошо их нагнать за последние пять лет. Все эти исследования были бы невозможны без дорожной карты «Квантовые вычисления», за реализацию которой отвечает госкорпорация «Росатом». Общий объем финансирования за 2020-2024 годы составил 24 млрд рублей.

Квантовые компьютеры пока что занимают достаточно большие площади и полезные задачи еще не решают. Но есть теоретические исследования, которые показывают, что если еще чуть-чуть мы нарастим мощности, то очень скоро будет практическая полезность. Поэтому все довольно активно вкладываются в эту область — в разработки квантового компьютера.

В России есть четыре основные платформы, на которых ведутся разработки (и они же актуальны для мировой практики):

• на ионах 
• на нейтральных атомах, 
• на фотонах, 
• на сверхпроводниковых цепочках. 

По каждому из направлений у нас есть сильные группы, и по каждой показаны хорошие результаты. Это воодушевляет!

На что способен квантовый компьютер?

Группа наших коллег из Российского квантового центра занимается созданием квантовых алгоритмов. Они активно взаимодействуют с нами: предоставляя свои разработки, а мы эти алгоритмы обкатываем и отсылаем результат обратно. Таким образом создается что-то новое. Например, используем кудиты — благодаря чему реализуется более плотное кодирование и можно более эффективно масштабировать систему.

Примечание: Кудиты — особые квантовые системы, которые могут одновременно находиться в более чем двух состояниях. По сути, кудит является усовершенствованной версией кубита.

В этом году у нас вышла научная статья в передовом журнале по физике , в которой мы показываем, что с помощью такого более плотного кодирования можно эффективнее реализовать Toffoli gate (Вентиль Тоффоли) — один из стандартных элементов для квантового вычисления. Мы продемонстрировали, что на нашей системе мы можем показать рекордное количество кубитов, задействованных в этом алгоритме. Это значит, что даже система не самого топового уровня по характеристикам за счет интересных локальных нововведений может показать лучший результат во всем мире. И этот результат не был бы достигнут, если бы у нас не было своих систем, на которых можно запускать алгоритмы.

Это на самом деле большая задача. Очень важно иметь изначально хоть какой-то квантовый компьютер, чтобы на практике отлаживать и исследовать алгоритмы. Потому что, когда в какой-то прекрасный момент у нас появится мощный квантовый компьютер, надо будет уметь на нем программировать. Для этого нужно иметь опыт работы с квантовыми системами, так как у таких компьютеров есть свои особенности. Нужно уметь адаптировать и оптимизировать алгоритмы для конкретной машины.

Задачи, которые мы уже решали на нашем компьютере, связаны с моделированием молекул, задачами оптимизации и факторизации чисел с помощью алгоритма Шнорра. Также мы проверяли различные базовые алгоритмы, которые являются составными кирпичиками более сложных алгоритмов.

Два года назад на Форуме будущих технологий квантовый алгоритм запустил  Владимир Владимирович Путин с помощью облачной платформы. Президент подходил к компьютеру, нажимал на кнопку, задача отправлялась на сервер и выполнялась в режиме реального времени на нашем квантовом компьютере.

Квантовая эра наступила?

Квантовые компьютеры существуют, но они пока шумные и маломощные. Мы находимся в так называемой NISQ-эре. Аббревиатура начинается с английского слова noisy — «шумный». То есть системы шумные и с небольшим количеством кубит.

Примечание: NISQ- эра расшифровывается как Noisy intermediate-scale quantum era, что означает Шумная промежуточная квантовая эра или Эра шумных квантовых устройств промежуточного масштаба.

Мощные и низкошумные системы, по моему представлению, будут у нас через 10 лет. Примерно столько времени потребуется разработчикам для того, чтобы добиться действительно хороших результатов.

О прошлом, настоящем и будущем квантовых технологий читайте во второй части материала на сайте канала «Наука».