Как создают квантовый компьютер в России: ионные ловушки и кудиты

Такая машина — идеальный взломщик. Она способна быстро вскрывать военные сети, лишая армию связи, или проникать в банковские системы. Обладать этой технологией для государства — вопрос безопасности. Но не всё так мрачно! Квантовые компьютеры помогут в создании новых лекарств, суперпрочных сплавов для авиации и в обучении сложных алгоритмов. Это инструмент не только для разрушения, но и для созидания.

Если продолжить аналогию с атомным проектом, то помните: бомбы были разные — урановая «пушечная» для Хиросимы и плутониевая имплозивная для Нагасаки. Так и с квантовыми компьютерами: принцип один, а технических путей много. Мир экспериментирует с ионными ловушками, нейтральными атомами, фотонами и сверхпроводящими кубитами. Никто не знает, какая технология станет основной, поэтому развивать нужно все. Мы, как и тогда, по некоторым направлениям отстаём на несколько лет, но уже набираем обороты.

Один из самых ярких отечественных проектов возглавляет группа Николая Колачевского из лаборатории ФИАН и РКЦ. Они работают над компьютером на ионах. О том, как идёт работа, мне рассказал заместитель руководителя группы, Илья Семериков.

Кубиты, суперпозиция и пара носков: квантовая магия для чайников

В обычном компьютере информация — это биты: нули и единицы. В квантовом — кубиты. И вот тут начинается магия. Кубит может быть не только нулём или единицей, а их суперпозицией — одновременно и тем, и другим, и чем-то промежуточным. Представьте четыре классических бита: они могут быть в одной из 16 комбинаций. Четыре кубита могут быть во всех 16 состояниях сразу! Чтобы описать систему из 20 кубитов, нужно около миллиона чисел. А для 300 кубитов чисел потребуется больше, чем атомов во Вселенной. Вот что значит «экспоненциальный рост».

Ещё есть запутанность — самое призрачное свойство. Запутанные кубиты мгновенно влияют друг на друга, даже если их разнести по разные стороны Галактики. Измерив один, вы тут же узнаете состояние другого. Для наглядности Илья приводит пример с носками. Допустим, у вас есть пара квантово запутанных носков. Вы надеваете один на правую ногу в Москве — и мгновенно второй носок на левой ноге вашего друга в Австралии. Звучит как бред, но это рабочий принцип.

Не только количество: почему 20 кубитов — это не конец истории

Установка Ильи находится в подвале ФИАН на Ленинском проспекте. Это классический научный хаос: лазеры, линзы, камеры, провода. На мониторе горят 20 белых точек — это и есть наши кубиты, ионы в ловушке. Забавно: когда я договаривался об интервью, у Ильи было 16 кубитов. Пока я ехал, стало 20. Вот такой темп!

Все привыкли смотреть на количество кубитов — это понятная метрика. Учёные это знают и гонятся за цифрами: в США — чтобы понравиться инвесторам, в России — правительству, в Китае — партии. Но важен не только размер. Качество операций — вот что критично. Квантовые операции делятся на одно- и двухкубитные. Однокубитные — «дешёвые», с малой ошибкой. Двухкубитные — сложнее, и их достоверность определяет, можно ли на компьютере вообще что-то посчитать. Можно иметь сотню кубитов, но если ошибки зашкаливают, это просто дорогая игрушка.

Кудиты: когда двух состояний уже мало

Группа Колачевского работает с кудитами — это «продвинутые» кубиты, которые могут находиться не в двух, а в большем числе состояний одновременно. По сути, это кубит на стероидах. Универсальных процессоров на кудитах в мире всего два: один в Инсбруке, второй — здесь, в Москве. Это наше скрытое преимущество.

От астрофизики к ионам: путь длиною в десять лет

Илья занимается квантовыми компьютерами всего четыре года. До этого шесть лет работал с квантовыми сенсорами, а начинал… с теоретической астрофизики, в кабинете этажом выше. Первые ионы в ловушке его группа поймала в конце 2020 года. За три года они вышли на уровень лучших мировых лабораторий. Работают с ионами иттербия-171 — у них удобная квантовая структура. Их охлаждают лазером до долей милликельвина. Для сравнения: реликтовое излучение Вселенной — 2,7 Кельвина. Наши ионы в тысячу раз холоднее! Попробуйте это осознать.

«У нас один из лучших вакуумов во Вселенной»

Ионы удерживаются в электромагнитной ловушке в условиях сверхвысокого вакуума. «У нас один из лучших вакуумов во Вселенной», — смеётся Илья. На экране светятся 10 ярких точек. «Это вчерашние, — говорит физик. — А так они у нас живут неделю. Потом ион “цепляет” атом водорода, превращаясь в гидрид, который мы пытаемся разрушить лазером. Иногда не получается. Тогда ловим новые».

Ионы сидят в цепочке на расстоянии 5 микрон друг от друга. Цепочка из 10 ионов — уже 50 микрон, почти макроскопический объект! «Заряжают» компьютер так: нагревают кусочек металлического иттербия до 300 °C, он испаряется, и атомы летят в сторону ловушки. Специальный лазер ионизирует нужный изотоп — иттербий-171 — и захватывает его. Через 100 секунд компьютер готов к работе на целую неделю. Если перейти на криогенные технологии, ионы смогут жить в ловушке годами.

Искусство ловли атомов: от шума к тишине

Самым сложным было создать саму ловушку. Ионы удерживаются в ней электромагнитным полем. В первой версии ловушки частота колебаний ионов была 1,5 МГц, в новой — 4,4 МГц. Но важнее уровень шума. В старой ловушке ионы «грелись» со скоростью 10 тысяч фононов в секунду. В новой — всего 10, как у лучших мировых аналогов. Тишина — залог точных вычислений.

Лазер с точностью до герца и автоматизация всего

Вторая головная боль — лазер для операций с кубитами. Берут коммерческий лазер с шириной линии в мегагерцы и сужают её до 1 Герца! Для этого команда создала ультрастабильный резонатор, который держит температуру с точностью до миллионной доли градуса.

Следующая задача — автоматизация. В установке сотни параметров, которые нужно контролировать. Часть уже автоматизирована, над остальным работают. Дальнейший план — переход с оптических кудитов на радиочастотные. Это увеличит время когерентности (время «жизни» квантового состояния) с 20 миллисекунд до целого часа! После этого можно будет серьёзно повышать точность операций.

Планарные ловушки и российский чип

«А что дальше?» — спрашиваю я. «Увеличивать количество кубитов, — отвечает Илья. — Над этим мы тоже работаем: конструируем планарные ловушки».

Дело в том, что в линейной цепочке после 30 ионов работать практически невозможно — теряется связность. Нужны планарные ловушки, где ионы располагаются над поверхностью чипа, как микросхема. Но это не обычный процессор: здесь нужны микронные, а не нанометровые элементы, и очень толстые диэлектрики. «Нельзя прийти на фабрику и сказать: “Сделайте мне такое же, но с диэлектриком в 10 микрон”», — объясняет Илья. Но нашли! Первую партию таких ловушек изготовили в московском МИЭТе. Полная локализация — это наше всё.

Цена квантового прорыва: 300 миллионов за одну установку

Квантовый компьютер — удовольствие не из дешёвых. Мы ходим вокруг установки, и Илья называет цифры. Оптический стол с сотовой структурой, развязанный от вибраций пола, — 1,3 миллиона рублей. Измеритель длин волн из новосибирского Академгородка — 10 миллионов. Самодельный оптический резонатор — условные 20 миллионов. Лазеры для считывания — ещё 20 (раньше брали в Германии, теперь в Китае). В итоге одна установка тянет минимум на 300 миллионов рублей. А таких нужно несколько. Но гордость Ильи в том, что весь компьютер теперь можно собрать из отечественных и китайских компонентов. Санкции? Не слышали.