08:00 28.11.2019
(обновлено: 17:47 03.03.2020)
Разговорчивый кубит: российские ученые готовят квантовый прорыв
Читать ria.ru в
МОСКВА, 28 ноя — РИА Новости, Татьяна Пичугина. На днях научная группа Джона Мартинеса из Google заявила о достижении квантового превосходства на 53-кубитном прототипе квантового компьютера. В России приблизиться к такому результату планируют в 2024 году. Для этого есть все условия, а главное — колоссальный прогресс в технологии квантовых процессоров.
Группа прорыва
В 1999 году научная группа Джоу-Шэнь Цая и Ясунобу Накамуры из японской компании NEC, объявила о первых успешных манипуляциях со сверхпроводящим кубитом — квантовым битом, доказав таким образом, что из него можно создать квантовый компьютер. Среди авторов того исследования был Юрий Пашкин из Физического института РАН, работавший тогда в Японии. Вскоре к ним подключился Олег Астафьев, сотрудник Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН.
Это достижение вызвало большой интерес к слаботочной сверхпроводимости и эффекту Джозефсона, которые до того не считались особо перспективными. Многие специалисты в этой области включились в квантовую гонку, не исключая и Россию, где это направление исторически было хорошо развито.
Работа активизировалась в лаборатории Валерия Рязанова в Институте физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) в Черноголовке. В 2010 году организовали Российский квантовый центр, через год в МИСиС открылась лаборатория сверхпроводящих метаматериалов под руководством Алексея Устинова, в МФТИ это направление возглавили Александр Голубов и Олег Астафьев. В 2014-м стартовала совместная программа исследований и разработок ВНИИА имени Н. Л. Духова и МГТУ имени Н. Э. Баумана на базе технологического центра НОЦ "Функциональные микро/наносистемы".
Какое-то время эти научные группы по отдельности отрабатывали методы изготовления и испытания сверхпроводящих кубитов, изучали мировой опыт. В 2016 году все они объединились, чтобы догнать лидеров. К сотрудничеству также привлекли ученых Новосибирского государственного технического университета.
Головным исполнителем выступил принадлежащий "Росатому" ВНИИА имени Н. Л. Духова, Фонд перспективных исследований (ФПИ) поддержал консорциум. Это позволило организовать производство кубитов на территории Бауманки.
"Мы построили собственную технологическую линию с учетом опыта ведущих нанотехнологических центров мира. Оборудование и подсистемы спроектировали и реализовали с лучшими мировыми организациями. Кадры растим в основном из студентов Бауманки, но полностью открыты для других университетов. Сегодня все ведущие исследовательские лаборатории России используют наши чипы квантовых сверхпроводящих процессоров", — рассказывает Илья Родионов, директор НОЦ "Функциональные микро/наносистемы".
"Там создана современная чистая технологическая зона, где человеческий фактор максимально исключен. Это обеспечивает воспроизводимость кубитов. То, что решили разрабатывать технологию силами ВНИИА и МГТУ, обеспечило успех. За три года мы фактически наверстали лет десять-двенадцать мирового развития", — говорит Валерий Рязанов, заведующий лабораторией сверхпроводимости ИФТТ РАН, руководитель объединенного проекта ФПИ по разработке квантового компьютера.
"Кубит — это как транзистор, одиночный элемент в интегральных микросхемах обычных компьютеров. Но если в транзисторах управляют сразу очень большим количеством носителей заряда, речь идет о коллективных явлениях, то кубит ведет себя как один атом, только искусственный. Вычислительная машина, способная управлять искусственными атомами, и есть квантовый компьютер", — объясняет Родионов. И добавляет, что "управляемые атомы" пытаются создавать на десятках различных технологических платформ, включая настоящие нейтральные атомы в оптических ловушках, заряженные ионы. Сверхпроводящие кубиты пока вне конкуренции, поскольку изготавливаются методами наноэлектроники и позволяют проводить большое количество довольно точных манипуляций.
Исследование образца методом сканирующей и электронной микроскопии. Здесь и далее фото сделаны в НОЦ ФМН (совместный проект ВНИИА имени Н. Л. Духова и МГТУ имени Н. Э. Баумана)
Где и как делают кубиты
Там, где создают сверхпроводящие кубиты, воздух многократно фильтруется, поддерживаются постоянные температура и влажность. Персонал работает в защитных костюмах. Никакие загрязнения недопустимы.
Заготовка — специально выращенная кремниевая пластина с шероховатостью поверхности в пару десятых нанометра. Сначала ее отмывают до атомарной чистоты. Затем посредством собственной запатентованной технологии осаждения совершенных тонких пленок — SCULL — напыляют слой алюминия толщиной около ста нанометров.
"Атомы алюминия там расположены прямо как по учебнику: на определенном расстоянии друг от друга, шероховатость такой пленки — порядка десятой нанометра", — говорит Родионов.
Предварительная жидкостная химическая очистка кремниевой пластины
С помощью электронной литографии на этом слое делают рисунок микросхемы — кубиты и схему управления ими. Затем вытравливают и сверху напыляют джозефсоновские переходы — ключевые элементы сверхпроводящих кубитов, превращающие их в искусственные атомы.
Джозефсоновский переход — это ультратонкий слой диэлектрика между двумя слоями сверхпроводника. При криогенных температурах ток по сверхпроводящим слоям распространяется с нулевым сопротивлением, несмотря на разделяющий их диэлектрик. Электроны собираются в куперовские пары и просто просачиваются через него благодаря квантовому эффекту туннелирования.
"Джозефсоновские переходы в кубитах все в мире делают по одной технологии: напыляют слой алюминия толщиной в десятки нанометров под одним углом, потом окисляют под очень точным контролем и наносят следующий слой металла под другим углом. После создания кубитов еще делают на схеме мосты из алюминия, чтобы выровнять электрический потенциал по всей ее площади", — продолжает ученый.
Готовый процессор с кубитами "разваривают" — соединяют с печатными платами посредством микропроводов толщиной в треть диаметра человеческого волоса. Это позволяет обращаться к ним через электронные приборы, управлять, используя алгоритмы.
Джозефсоновский переход: куперовские пары из сверхпроводника туннелируют через диэлектрик. Это явление используют для создания кубита
© Иллюстрация РИА Новости
1 из 3
Двухкубитная схема
© ВНИИА/МГТУ
2 из 3
Джозефсоновский переход на микросхеме
© ВНИИА/МГТУ
3 из 3
Джозефсоновский переход: куперовские пары из сверхпроводника туннелируют через диэлектрик. Это явление используют для создания кубита
© Иллюстрация РИА Новости
1 из 3
Двухкубитная схема
© ВНИИА/МГТУ
2 из 3
Джозефсоновский переход на микросхеме
© ВНИИА/МГТУ
3 из 3
Место абсолютного холода
"Алюминий становится сверхпроводником при температуре около одного градуса Кельвина. Чтобы кубиты хорошо работали, мы должны опуститься гораздо ниже по температуре: почти до абсолютного нуля", — уточняет Илья Родионов.
Пока кубиты теплые (строго говоря, это еще не кубиты), атомы в их кристаллических решетках и носители заряда неуправляемо колеблются, разрушая единые, когерентные для всего кубита квантовые эффекты. Чтобы их сохранить, процессор охлаждают почти до абсолютного нуля, тем самым "замораживая" шумы и открывая возможность работы с энергетическими уровнями искусственно созданного атома и квантовыми эффектами в нем.
Только тогда можно манипулировать кубитами, заставить их взаимодействовать друг с другом. Для этого им посылают последовательности импульсов в микроволновом диапазоне. Получая их, кубиты переходят в возбужденное состояние — на более высокий энергетический уровень. Подстраивая характеристики джозефсоновских структур, удается очень точно управлять этими энергетическими уровнями: их положением, разницей энергий между ними и так далее.
Квантовые процессоры охлаждают в криостате растворения — большом цилиндрическом холодильнике, где в качестве хладагента используется смесь изотопов гелия-3 и гелия-4.
Изнутри установка покрыта тонким слоем золота. Начинку закрывают несколькими экранирующими слоями и герметичным кожухом. Запускают, просто нажав кнопку. Дальше автоматика создает вакуум и начинает криогенный цикл.
Стоит такой "холодильник" десятки миллионов рублей, но зато работает практически без обслуживания и потребляет энергии меньше дачного водонагревателя. Рефрижераторы растворения есть в Черноголовке, МФТИ и МИСиС. В Бауманке — самый мощный. Там достигают температуры ниже семи милликельвинов.
Сотрудник НОЦ ФМН (ФГУП "ВНИИА им. Н.Л. Духова" и МГТУ им. Н.Э. Баумана) во время работы с криостатом растворения
Как увеличить время жизни кубитов
При столь низкой температуре многие соединения переходят в сверхпроводящее состояние. Почему же предпочитают алюминий?
"Этот металл активно реагирует с окружающей средой, хорошо окисляется, и его окисел всегда постоянного состава. В результате получается самый качественный туннельный барьер для джозефсоновских переходов", — отвечает Родионов.
Благодаря стабильности окисления получаются одинаковые кубиты. В Бауманке добились, чтобы их характеристики отклонялись не более чем на пять процентов от нужного. Это результат на мировом уровне.
"Все другие материалы заметно хуже. Мы пробовали ниобий, который не требует таких низких температур. Но у него много разных окислов, большинство из них — нормальные металлы, а это поставщики несверхпроводящих частиц, что сильно ухудшает когерентность кубитов", — поясняет Валерий Рязанов.
При выполнении квантовых логических операций кубит может находиться в основном состоянии, возбужденном, а также в суперпозиции — смеси этих двух состояний. Главное, чтобы запущенный квантовый процесс не сбивался из-за взаимодействия с окружением. Чем дольше удается отсрочить этот момент, тем дольше живет кубит, тем больше операций с ним можно выполнить.
Разварка образца на плате перед проведением криоизмерений
Например, если бы кто-то попытался сделать кубит на основе электрона, движущегося в обычном металле, то время когерентности было бы менее наносекунды. Любое рассеяние этой частицы на кристаллической решетке металла с передачей ей энергии приводит к разрушению когерентного состояния — декогерентности.
"Сначала наши кубиты жили доли микросекунды, сейчас — от двадцати до сорока. Источник декогерентности — зарядовые флуктуаторы в оксидах. Их очень много в кубите, всегда есть неустойчивые атомы, которые постоянно переключаются между двумя состояниями, меняя заряд, создавая тем самым электромагнитное поле", — рассказывает Рязанов.
"В сверхпроводящих кубитах могут оставаться дефекты, их называют двухуровневыми системами. Пока ученые не разобрались до конца с их природой. Сидит около кубита частичка, которая начинает, образно говоря, отвлекать его, разговаривать с ним. Эти двухуровневые системы способны неконтролируемо обмениваться с кубитами энергией, и вычислительная схема рушится", — добавляет Родионов.
Зарядовые флуктуаторы — один из видов квантового шума, превращающего кубит в обычный бит. Ученые находят все новые способы минимизировать их количество и влияние на параметры кубитов, поэтому время когерентности неуклонно растет.
"Простейший метод — протравить в плавиковой кислоте все слои вместе с подложкой. Это помогает уменьшить квантовые флуктуаторы", — продолжает Рязанов.
Другой вид шумов, сокращающих время жизни кубитов, связан с электроникой, используемой для их управления и измерения кубитов. Например, микроволновый импульс подают в криостат через коаксиальный кабель. Он прозрачный, поэтому пропускает часть электромагнитного излучения.
"Приходится делать "черный" экран в нижней части, законопачивать все щели", — говорит физик.
Колдуя над технологией создания эпитаксиальных структур, подбирая различные параметры схемы, гася флуктуаторы и внешние наведенные поля, кубиты вводят в максимально стабильное состояние. Важный инструмент для управления ими — магнитное поле, позволяющее достигнуть рабочего режима, в котором кубиты наименее чувствительны к внешним шумам и живут максимально долго. Ученые называют это "сладкой точкой".
Образцы чипов сверхпроводниковой элементной базы, закрепленные в держателе, перед загрузкой в криостат растворения
Квантовая эквилибристика
Кубит может находиться одновременно в состоянии 0 и 1. При классическом измерении 0 или 1 выпадут с определенной вероятностью. А у системы, к примеру, из пяти кубитов бывает одновременно 32 состояния. Квантовые вычисления манипулируют всеми ими сразу.
Повысить скорость вычислений помогает также квантовая запутанность — когда невозможно точно узнать, какой из пары или цепочки кубитов находится в данном состоянии, они все в нем одновременно.
Квантовый компьютер основан на принципах суперпозиции и запутанности. Теоретически он способен решать за секунды задачи, на которые его цифровой аналог потратит десятки тысяч лет.
Квантовый компьютер — это, по сути, черный ящик, где операции выполняются не последовательно, а сразу все. Проблема в том, что нужно потом квантовый ответ перевести в классический формат, на это и уходит основное время вычислений.
© Иллюстрация РИА Новости
Кубит может находиться в обычном или возбужденном состоянии, а также одновременно в них обоих — в суперпозиции
Вторая проблема — коррекция возникающих ошибок. Чтобы минимизировать или исключить их влияние на вычисления, нужно разрабатывать квантовые коды, на что может уйти не один десяток лет. Поэтому пока на практике пытаются создавать гибридные квантово-классические процессоры класса NISQ — noisy intermediate scale quantum computer, то есть зашумленный квантовый компьютер среднего масштаба.
Квантовые вычислительные системы бывают двух типов. Те, что умеют решать одну-единственную задачу, называют квантовыми симуляторами. Одна из первых таких систем из двух кубитов представляла собой модель молекулы водорода. На ней можно было только рассчитать ее свойства. Квантовые симуляторы будут работать в обычных суперкомпьютерах как сопроцессоры, решающие конкретные и очень затратные по времени задачи.
Универсальный квантовый компьютер способен выполнять множество разных задач. В зависимости от сложности вычислений число кубитов в нем наращивают. Недавнее достижение Google — это демонстрация прототипа универсального квантового компьютера, но без полной коррекции ошибок.
Квантовые вычисления будут эффективнее, чем цифровые, только если кубиты живут достаточно долго.
"В 2016 году был получен первый кубит в России. Он жил доли микросекунды и ничего не умел делать. За три года мы научились создавать прототипы первых российских квантовых процессоров и симуляторов, а время жизни отдельных кубитов увеличили более чем в сто раз. Вопрос в том, сколько операций можно сделать за это время. Одна квантовая логическая операция у лидирующих мировых групп занимает 15-50 наносекунд. Сегодня за время жизни кубита удается выполнить более тысячи таких операций. А это уже первые алгоритмы", — подчеркивает Родионов.
В октябре наши ученые продемонстрировали квантовый симулятор на двух кубитах, который выполняет алгоритм Гровера — поиск в базе данных.
Допустим, нужно найти одну запись в большом списке. Можно считывать каждую строчку, сверять с образцом до тех пор, пока не найдется искомое. Другой способ — опрашивать кого-то, кто знает, где эта запись, — оракула.
"Мы запутываем нашу систему из двух кубитов, потом с какой-то вероятностью определяем ее состояние и передаем программе-оракулу. Сколько раз нужно обратиться к ней, чтобы получить правильный ответ? Мы продемонстрировали, что с вероятностью больше 50 процентов определяем правильно ячейку при одном обращении к оракулу", — говорит Валерий Рязанов.
Вакуумная камера установки анализа состава поверхности
С двумя кубитами обычный компьютер не обогнать, нужно делать систему минимум из тридцати, уточняет он. А вот сильно больше — это пока лишнее. К примеру, канадская компания D-Wave заявляет, что построила в 2017 году квантовый компьютер на 2000 кубитов.
"Проблема в том, что результат вычислений такой системы невозможно проверить на обычном суперкомпьютере. А на 30-кубитном — еще возможно", — указывает ученый и добавляет, что группа Мартинеса работала с 72-кубитным компьютером и еще в 2018-м собиралась обнародовать результаты, но "что-то не заладилось". Может быть, результаты вычислений были непроверяемы. В итоге квантовое превосходство было показано на 53-кубитной системе, да и ту пришлось разбивать на кластеры и каждый отдельно просчитывать на обычном компьютере.
В 2017 году IBM открыла облачные серверы для всех желающих поработать с квантовыми алгоритмами.
"Сначала это были пятикубитные системы, теперь 16-кубитные. Наши ученые решают на них задачки спиновой динамики, потом проверяют на обычном компьютере. Обычный пока точнее", — отмечает Рязанов.
По его мнению, сегодня нужно работать с небольшим числом кубитов, добиваясь точности вычислений. На двухкубитном симуляторе достигли точности около 90 процентов. Нужно — свыше 99 процентов.
Исследование квантовой схемы на оптическом микроскопе перед проведением криоизмерений
Задачи и амбиции
Сейчас в криостатах МИСиС и ИФТТ РАН заряжены цепочки из пяти "баумановских" кубитов, моделирующих взаимодействующие спины, — магнитные моменты электрона или атома. Ученые воздействуют на один элемент цепочки и смотрят, как сигнал проходит по всем остальным. Результат, включая проверку на обычном компьютере, будет до конца года.
Следующая задача, которую предстоит решить участникам проекта, — создать и исследовать массив из 24 кубитов, превращенных в искусственные атомы и расположенных рядом с общим резонатором. Атомы взаимодействуют через него друг с другом, их спонтанное излучение способно сливаться в один короткий мощный импульс (модель Дикке). На таких системах возможно продемонстрировать явление сверхизлучения, предсказанное в середине XX века.
"Группа Родионова делает добротные резонаторы. Если фотон туда попал, он очень долго там будет жить, гораздо дольше, чем в кубите. Это можно использовать для увеличения времени когерентности, создания квантовой памяти. Например, мы приготовили фотон в кубите и переместили его в резонатор. Через некоторое время снова "оживляем" кубит, возвращаем в нужный момент в него фотон из резонатора и таким образом продляем время жизни состояния кубита, а значит, и время возможных квантовых логических операций", — поясняет Рязанов.
"К 2024 году мы нацелены сделать 50-кубитную систему", — констатирует Родионов.
За три года российские ученые совершили поистине квантовый скачок, резко сокративший отставание от лидеров этого научного направления. Пока на их стороне — мировой опыт, возможность выбирать проверенные другими направления и технологии. Когда же исследователи вступят в область неизведанного, станет гораздо сложнее. Здесь важна консолидация мозгов и ресурсов, поддержка государства и крупных игроков отрасли, сохранение столь эффективного консорциума ученых и инженеров. С этой целью "Росатом" запускает программу исследований и разработок с бюджетом 24 миллиарда рублей в рамках федеральной программы "Цифровая экономика".
