— Где сейчас передний край квантовых вычислений, самые многообещающие направления развития?
— До сих пор нет однозначного лидера даже среди физических систем, на которых ученые пытаются строить квантовые вычислители. Есть много разных подходов (кубиты на ионах, на нейтральных атомах, на фотонах, сверхпроводящие и полупроводниковые кубиты. — прим.ред.), и до сих пор непонятно, какой в итоге приведет к масштабируемому устройству. Но можно сказать совершенно точно, что в последние годы прогресс очень большой. Если лет десять назад система из десятка кубитов была достижением мирового уровня, то сейчас люди уже работают с несколькими десятками и сотнями кубитов. Есть даже отдельные сверхпроводящие процессоры, дающие вплоть до тысячи кубитов.
Так, чип под названием Condor компании IBM содержит 1121 сверхпроводящий кубит. Хотя пока это скорее условность, демонстрация потенциальной возможности для масштабирования — тысячу кубитов пока одновременно невозможно использовать. Но еще важнее, чем рост числа кубитов, другое. Буквально в этом году была пройдена очень важная веха: сразу на нескольких системах была продемонстрирована успешная коррекция ошибок. Независимо на сверхпроводящих кубитах у Google и на ионах Quantinuum показали, что можно делать операции с логическими кубитами точнее, чем операции с физическими кубитами, из которых эти логические составлены. Это очень важно, это первый шаг по направлению к устойчивой к ошибкам архитектуре квантовых компьютеров.
— Что такое логические и физические кубиты и как вообще возможна устойчивость к ошибкам?
— Логические кубиты состоят из нескольких физических. Это может быть набор некоторого количества, например, атомов или сверхпроводящих кубитов, которые работают как один. При этом часть из физических кубитов в логическом вы используете для того, чтобы детектировать ошибки. И оказывается, что если у вас уровень ошибок в операциях ниже определенного порога, то, просто увеличивая число физических кубитов в одном логическом, вы можете сделать уровень ошибок сколь угодно низким (то есть ниже любого наперед заданного порога). Это и называется устойчивой к ошибкам архитектурой.
Теоретически это было известно еще в 1990-х, но это в высшей степени нетривиально. И надо было еще продемонстрировать что такая архитектура возможна на практике, в реальном устройстве, и что при масштабировании ошибка падает, а не растет. Потому что если у вас уровень ошибки недостаточно маленький, то использование большего числа кубитов будет приводить к тому, что коллективная квантовая система из логических кубитов будет даже более шумной. В нынешнем году пройден порог: показали в реальном эксперименте, что можно из нескольких кубитов собрать систему, которая будет менее шумной, чем составляющие ее кубиты.
Если уровень ошибок в квантовом компьютере велик, то все еще существуют алгоритмы для классических компьютеров, которые позволяют быстро моделировать — на обычном компьютере, даже не «супер». А вот если точность операций высока, тогда система из 50–60 кубитов становится такой сложной, что и суперкомпьютеру не по зубам. В 2019 году Google уже заявил о достижении «квантового превосходства», то есть создании квантового компьютера, чья сложность — за пределами моделирования на обычном. Сейчас уже гугловская система 2019 года все-таки считается на классических компьютерах, есть алгоритмы и машины, которые могут ее моделировать за обозримое время.
Но с тех пор и квантовая наука тоже ушла вперед, и уже есть системы, про которые с уверенностью можно сейчас сказать, что они классическому моделированию не поддаются. Но мы поэтому пока находимся в переходном периоде — у нас уже есть квантовые компьютеры, которые теоретически могут сделать то, что за пределами возможностей классических компьютеров, но придумать, как использовать этот потенциал для практических задач, пока никому не удалось. Есть большое количество алгоритмов, которые работают для «идеальных» кубитов, но, к сожалению, так напрямую перенести их на шумные системы не получается, потому что для сколько-нибудь интересных по своему масштабу и сложности задач требуется большое число операций.
— Шум нарастает при увеличении количества операций?
— Да. Поэтому многие начинают склоняться к тому, что промежуточные, слишком шумные квантовые компьютеры сами по себе полезными не будут, даже несмотря на рост числа кубитов. Это — спорная точка зрения. Но основные игроки начинают всерьез смотреть в сторону именно коррекции ошибок. И Google, и IBM, и все другие работают над архитектурами устройств, в которых ошибки будут активно корректироваться.
— Можно я уточню, просто чтобы удостовериться, что я правильно понял. Получены квантовые компьютеры такого размера, что уже не моделируются обычными, и значит, предположительно, могут выполнять задачи, которые обычные не могут выполнять?
— Да.
— Но все-таки для них задач еще нет, потому что они все еще слишком шумные…
— Те алгоритмы, которые мы знаем, на них запустить не получается, есть класс алгоритмов, придуманный специально для таких шумных систем, но пока не показано преимуществ над обычными компьютерами.
— И поэтому передний край — борьба с шумами?
— Поэтому передним краем, как нам кажется, является борьба с шумами. И есть разные способы борьбы. Есть классическое «подавление ошибок», когда вы пытаетесь разными методами увеличить отношение сигнала к шуму. Это будет отчасти работать, но все же это не панацея. А есть квантовая коррекция ошибок, которая позволяет избавиться от шумов в принципе, практически полностью… Вычислительное преимущество, которое мы можем получить от квантовых вычислений, завязано на принцип суперпозиции (фундаментальный принцип квантовой механики, который позволяет частицам быть одновременно в разных состояниях, как в знаменитом мыслительном эксперименте кот Шрёдингера одновременно и жив, и мертв. — прим.ред.).
В квантовой системе размерность пространства состояний растет экспоненциально с увеличением числа кубитов. Даже относительно небольшое число кубитов дает такие большие пространства состояний, что их невозможно смоделировать на обычном компьютере, и именно это квантовые алгоритмы пытаются использовать во благо. Принцип суперпозиции позволяет и ошибки исправлять. Пространство состояний не просто большое, оно еще и линейное, что позволяет разложить возможные ошибки на дискретный набор возможных ошибок и исправлять только их. Это позволяет исправить любую ошибку. Вот принципиальное отличие квантовых компьютеров от аналоговых вычислительных машин.
— И в этом году стало понятно, что это возможно?
— Стало понятно, что это возможно в нашем реальном мире. Многие считают, что то, что возможно в квантовом мире отдельных частиц, нельзя реализовать, когда вы переходите от одиночных квантовых систем к их большим ансамблям. Большие системы, по их мнению, неизбежно делаются либо классическими, либо неуправляемыми, что существует какой-то неизвестный нам фундаментальный запрет, который запрещает существование кота Шрёдингера. Очевидно, что шрёдингеровские коты не бегают по улицам. Но почему? Может быть, есть некие законы, которые в физике микромира работают хорошо, но когда вы начинаете переходить от «микро» к «макро», увеличивая число частичек в системе, когда вы начинаете масштабировать квантовую систему, то каким-то образом возникает «классический» мир?
По сей день нет полной ясности, как именно классический мир возникает из квантового при росте масштаба. И когда вы пытаетесь собрать достаточно большой квантовый компьютер, не означает ли это, что вы пытаетесь собрать систему настолько большую, что она уже квантовой быть не может? Никаких теоретических предпосылок для того, чтобы это было именно так, нет. Но экспериментально создать квантовую систему большого масштаба очень сложно. Еще и поэтому тот прогресс, который мы за последние несколько лет наблюдали, очень важен.
Мы теперь точно знаем, что можем делать системы настолько большие, чтобы они уже не моделировались на классическом компьютере. Были ученые, полагавшие, что и это невозможно, что мы никогда не сможем управлять сотнями кубитов в принципе. Граница между классическим и квантовым миром, конечно, условная. Неизвестно, с какого числа предметов начинается куча. Но понятно, что чем больше взаимодействующих частей становится, тем система все больше стремится вести себя как классическая. Мне кажется, очень важное достижение наше состоит в том, что мы эту границу постоянно отодвигаем. Мы делаем хорошо изолированные квантовые системы в очень контролируемом окружении, в котором огромное количество степеней свободы можем контролировать.
— Хотя коты Шрёдингера пока еще по улицам не ходят, но маленькие квантовые компьютеры уже есть!
— Это так.
На чем работают квантовые компьютеры
— Какие бывают квантовые компьютеры и на каких физических платформах они строятся?
— Есть сверхпроводящие кубиты, есть кубиты на ионах и на нейтральных атомах (они похожи, но в чем-то и отличаются), на фотонах, а также есть самые разные полупроводниковые структуры (квантовые точки, примесные атомы). Я занимаюсь двумя направлениями — квантовыми вычислителями на нейтральных атомах и на фотонах. Я, тем не менее, пройдусь по всем означенным направлениям, но должен предупредить, что мое мнение может считаться экспертным только в некоторых из них.
В чем преимущества и недостатки каждой из платформ? Сверхпроводящие кубиты считались самым перспективным направлением еще несколько лет назад. Этот путь создания выбрали Google и IBM. Но достигнув определенного уровня развития, они столкнулись с проблемами, которые растут оттуда же, откуда и преимущества. Сверхпроводящий кубит — это по сути электрический колебательный контур. Делает сверхпроводниковые осцилляторы кубитами контакт Джозефсона, тонкий слой диэлектрика между металлами-сверхпроводниками, через который благодаря квантовому туннельному эффекту проходят пары электронов.
С такими кубитами иметь дело удобно, но есть и минус: сверхпроводниковые кубиты все чуть-чуть разные. Поэтому шумы тоже специфичны для разных кубитов и определяются тем, как они расположены на подложке. С такими шумами трудно, потому что каждый кубит немного индивидуален. И есть еще одна проблема. Сверхпроводящие кубиты — это не отдельный атом или ион, это относительно большие структуры, некоторые их компоненты видны практически невооруженным глазом. Конечно, сверхпроводящий кубит довольно миниатюрен, требует для своего изготовления очень точной технологии нанофабрикации, но некоторые другие компоненты устройств неизбежно должны быть большими. И когда вы пытаетесь сделать чип, скажем, на 1000 кубитов, он неизбежно будет большим по размеру. А все это работает при низкой температуре 10 милликельвинов (мК). Это очень низкие температуры.
— Почти абсолютный ноль?
— Да, почти ноль, но тут есть много градаций. 4 К — тоже очень холодно, но это температура жидкого гелия, который давно научились получать. А 10 мК требуют принципиально более сложной технологии охлаждения. Когда вы пытаетесь делать большие структуры с большим числом подводящих проводов, возникает проблема в том, что мощности криостата у вас не хватает. Есть много инженерных проблем, которые надо решать. Они, может быть, и могут быть все решены, я не берусь судить. Но сейчас пока прогресс в области сверхпроводниковых квантовых компьютеров, как мне кажется, тормозится инженерными ограничениями.
Ионные кубиты. Если у атома отобрать электрон, получится заряженный ион, который можно удерживать радиочастотными полями. Из нескольких таких ионов можно собрать цепочку, в которой каждый ион чувствует другие ионы. И можно, скажем, с помощью лазера влиять на всю эту цепочку целиком, получается своего рода «шина» данных, которая позволяет ионам обмениваться информацией друг с другом. В этом, кстати говоря, состоит уникальность именно ионов: каждый кубит связан с каждым, с ними ученые умеют делать очень точные логические операции. Ионы сейчас рекордсмены по точности. Но есть и нюанс: точность получается, когда у вас ионов немного.
Чтобы убирать тепловые шумы, нужно всю цепочку ионов охлаждать почти до абсолютного нуля. Плюс в сравнении со сверхпроводниками заключается в том, что это делается лазером, а не криостатом. Но когда у вас ионов много, вам становится гораздо сложнее охлаждать колебания — просто потому, что они могут колебаться множеством разных способов. И больше, чем 50 ионов в цепочке, пока никому не удавалось использовать для осмысленных вычислений. То есть и тут возникает проблема с масштабированием устройств. Но эта проблема решается — реализуется идея ионного чипа, в котором используются так называемые планарные ловушки для ионов (ионы фиксируются на плоскости чипа электромагнитным полем. — прим.ред.).
В таком чипе ионных цепочек много, но каждую из цепочек ионов можно по отдельности охлаждать, а когда нужно, чтобы они провзаимодействовали, их можно совмещать. Именно в такой структуре были проведены эксперименты по коррекции ошибок. Здесь тоже много технических проблем. Так, в нашей стране коллеги только учатся делать эти планарные ловушки, и это требует продвинутой технологии нанофабрикации. Она не такая сложная, как со сверхпроводящими кубитами, но тоже там есть много своих нюансов, которые у нас еще предстоит отработать.
Кубиты на нейтральных атомах. Здесь много общего с ионными, но поскольку атомы нейтральны, то их невозможно удерживать электромагнитным полем. Одиночные атомы захватывают в оптический пинцет (сфокусированный лазерный луч), как мы делаем в нашей лаборатории в МГУ. Кубит кодируется во внутренних степенях свободы этого одиночного атома. Поскольку атомы не взаимодействуют между собой так, как заряженные ионы, мы их можем собрать в произвольную конфигурацию — двухмерную, трехмерную, какую угодно. Но чтобы они работали как квантовый компьютер из многих кубитов — их все же надо заставить взаимодействовать. С этим проблемы, но они практически решены. Пока точность двухкубитных операций, которые обязательно требуют взаимодействия между атомами, оставляет желать лучшего, но каких-то принципиальных проблем для прогресса вроде бы нет. В нейтральных атомах более или менее понятно, как дойти от систем в единицы кубитов к сотням, а может быть, тысячам кубитов.
— А сейчас сколько?
— У нас в лаборатории уже есть до 50 кубитов. Но пока с точностью операций есть проблемы. Если мы с ними разберемся, то это будет уже очень интересно. В мире сейчас есть около 70 кубитов на нейтральных атомах, и с ними уже даже были эксперименты по коррекции ошибок. А если говорить про более простые эксперименты, то 256 одиночных атомов, с которыми контролируемые операции можно проводить, есть в Гарварде у Михаила Лукина. Компания Atom Computing собирала массив из более чем тысячи одиночных атомов, но пока не продемонстрировала на них никаких хороших логических операций. Я думаю, что в ближайший год мы увидим сотни — точно, а может быть, и тысячи кубитов. Но и в этой технологии есть проблема: оптические пинцеты создаются лазером, а у оптической системы есть ограничения, связанные с законами физики (как, скажем, у микроскопа есть ограничение на поле зрения). Из этих ограничений следует, что сделать миллион оптических пинцетов в одной системе не получится. Когда-нибудь, может быть, удастся эти ограничения преодолеть, но пока таких работ нет, как именно шагнуть к неограниченному масштабированию, пока не ясно.
Кубиты на фотонах. Фотоны тоже не заряжены, совсем слабо взаимодействуют, это большое преимущество, но и проблема — чтобы делать двухкубитные операции, надо все же заставить фотоны взаимодействовать. Есть некоторые трюки, которые это позволяют, но двухкубитные взаимодействия срабатывают не всегда, а с определенной конечной вероятностью. Однако есть некое триггерное событие, которое говорит вам, что взаимодействие сработало правильно, и поэтому можно построить систему, которая, в принципе, будет работать без ошибок, но для этого нужно очень много вспомогательных фотонов.
И тут все упирается в технологию. Источники фотонов сейчас делают на чипе, детекторы фотонов тоже умеют делать на чипе — нужно научиться это масштабировать. Все упирается в точность изготовления элементов интегральной фотоники на больших пластинах, поскольку элементов будет много, нужен большой масштаб. Плюс, это все работает тоже при малых температурах, но здесь достаточно температуры жидкого гелия, и это преимущество по сравнению со сверхпроводниками — криостаты нужны гораздо более простой конструкции. И здесь есть надежда на то, что можно будет получить довольно приличных размеров квантовые компьютеры. По крайней мере, компания PsiQuantum, довольно известная в квантовом сообществе, обещает миллион кубитов. Но, правда, не говорит, когда это будет.
Полупроводниковые кубиты. Многообещающая технология, но это не моя область. Могу только сказать, что здесь две проблемы. Во-первых, она очень технологически нагружена, потому что это все-таки структуры наноразмеров, и здесь самые большие требования к технологии нанофабрикации. Во-вторых, там с физической точки зрения достаточно сложно бороться с шумами, это требует прямо каких-то сложных решений, потому что все-таки это система из обычного твердого тела — кубиты, как бы они ни были реализованы в полупроводнике, погружены в «шумящую» твердотельную матрицу. Но зато это, наверное, единственная система, в которой я могу представить миллион кубитов — это как миллиарды транзисторов на кремниевом чипе в процессоре телефона, с которого я сейчас разговариваю. Но можно ли будет побороть на нем шумы до того уровня, чтобы можно было эффективно корректировать ошибки, наверное, это покажет ближайшее будущее. Пока на полупроводниках рекорд — 12-кубитная система, который сделали Intel вместе с Делфтским техническим университетом.
Российская квантовая наука
— А где в этом впечатляющем прогрессе российская наука? Российские квантовые центры — на переднем крае?
— Хотелось бы сказать, что мы прямо на переднем крае пребываем, но это будет не во всем правдой. Я не берусь оценить отставание от лидеров: оно в разных направлениях разное, например, в направлении квантовых алгоритмов его вообще нет — у нас традиционно сильные математики и теоретики. Есть и другие направления исследований, в которых мы если и не на переднем крае, то очень близко. А есть, в которых мы сильно отстаем. Как правило, наиболее сильное отставание наблюдается там, где требуется больше технологических компетенций. Например, в полупроводниковых кубитах — лидеры опираются на существующие полупроводниковые промышленные технологии, а с полупроводниковыми технологиями у нас в стране не все хорошо.
А в квантовых компьютерах на атомах и ионах задел существующих в мире промышленных технологий не так велик, хотя и тут уже переходим от прикладной науки к реальным инженерным разработкам. И если раньше, скажем, ионные ловушки можно было изготовить в прямом смысле этого слова своими руками, «на коленке» (наши коллеги из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, к примеру, так и делали), то сейчас топовые результаты типа упомянутых логических кубитов и операций над ними уже получаются в ловушках, которые изготавливаются по очень тонкой технологии. «На коленке» уже не сделать.
Собственно, как и везде, технологии определяют темпы прогресса, и если в стране в целом технологический уровень не очень высокий, то вряд ли можно быстро догнать лидеров. Другое дело, что технологии, которые здесь требуются, могут быть другими, чем те, что уже работают в экономике, эти технологии только начинают развиваться, и отрыв лидеров не столь велик. И поэтому мы еще можем успеть впрыгнуть в последний вагон.
— В каких системах мы имеем шанс работать близко к передовому краю?
— Мне кажется, что системы, основанные, например, на одиночных ионах и одиночных атомах, развиваются в нашей стране на хорошем уровне — близки к переднему краю, по крайней мере. Но проблема заключается в том, что нужно смотреть на перспективы масштабирования этих физических систем. Нейтральные атомы, которыми я, например, в том числе, занимаюсь, конечно, одна из моих любимых систем. Я понимаю, как эту систему масштабировать до уровня в несколько тысяч кубитов, но как из нее сделать миллионы, я, честно говоря, не представляю и не знаю, существует ли ответ на этот вопрос у кого-то в мире. А системы, которые потенциально могут быть масштабированы, как правило, имеют тенденцию опираться на какую-либо существующую технологию, это либо полупроводники, либо фотоника. Мне кажется, что от развития технологий в любом случае никуда не уйти.
— А фотоника на каком у нас уровне находится?
— Фотоника у нас на уровне повыше электроники. Там чуть меньше требования к самой технологии нанофабрикации. Поскольку длина волны света довольно большая и, соответственно, те структуры, которые в фотонике используются, тоже довольно большие по меркам нанотехнологий — десятки нанометров и выше. Соответственно, требования, например, к литографии чуть попроще, чем для изготовления современных полупроводниковых микросхем. Фотоника — это то место, где мы пока можем развиваться и еще не уперлись в технологические ограничения.
Между наукой и инженерией
— А как устроен ваш рабочий процесс? Можете так популярно, в двух словах, рассказать о какой-нибудь последней работе вашей группы, чтобы понять, какого типа проблемы вы решаете прямо сейчас?
— Мы последние несколько лет работаем по принятой в России «дорожной карте» по квантовым вычислениям. Это государственная программа до 2024 года, направленная на создание 50-кубитного квантового компьютера. В нашей стране есть несколько научных групп, которые на разных технологиях пытаются это сделать. Мы в последнее время занимаемся созданием двух прототипов — на атомах и на фотонах. Но на фотонах пятидесяти кубитов не будет, там поскромнее ближайшие показатели, но зато есть и свои интересные преимущества. А на атомах та установка, которую мы сейчас надеемся продемонстрировать при 50 кубитах, начала собираться в период пандемии.
Я очень хорошо помню, как это было: мы все сидели на карантине, по нескольку человек нам разрешалось приезжать в лабораторию и что-то там делать. Как раз в это время начало прибывать оборудование, из которого начала собираться эта установка. Когда стало понятно, что это один из возможных путей к созданию действительно большого квантового регистра, мы начали более пристально смотреть в эту сторону, и уже скоро лет пять как постоянно совершенствуем эту установку. Она расположена в МГУ, в одном из корпусов физического факультета.
—Какого она размера?
— Это оптический стол где-то полтора на три метра. Большую его часть занимает лазерная система, которая используется для охлаждения и управления состояниями атомов и для создания оптического пинцета, вакуумная система с оптическим доступом. Это сверхвысокий вакуум. Мы убираем все лишнее, а оставляем только источник паров рубидия. И потом эти пары рубидия мы захватываем в оптическую ловушку и охлаждаем лазером. А из холодного облака газа мы захватываем одиночные атомы. Характерные температуры, при которых все это работает (в облаке и в наших оптических пинцетах) — это десятки микрокельвинов.
— Как строилась ваша научная карьера, как менялась ваша траектория движения и по миру, и по карте научных интересов? Как менялись ваши главные жизненные вопросы?
— На втором курсе я пришел на кафедру квантовой электроники, в лабораторию Сергея Павловича Кулика, моего научного руководителя. Это известный специалист по квантовой оптике. Собственно, я начал заниматься в достаточной степени фундаментальной наукой, связанной с исследованием неких хитрых квантовых состояний фотонов. Я защитил диссертацию, а потом на несколько лет уехал в Сингапур. (У меня был мигающий режим: я приезжал в Москву, читал лекции, вел учебные семинары на физфаке МГУ, но большую часть времени проводил в Сингапуре). А поехал я туда с целью научиться работать с одиночными атомами, потом вернулся, чтобы здесь полученные знания применить, технику воссоздать — сначала в условиях достаточно ограниченных ресурсов, потом, когда стало понятно, что в этом есть потенциал для квантовых вычислений, ресурсов становилось больше. Сейчас, как мне кажется, наша лаборатория на хорошем уровне.
— И сейчас вас больше всего вдохновляет идея создания собственно продукта, квантового компьютера или решение фундаментальных вопросов квантовой физики?
— Я однажды для себя понял, что хочу иметь большую цель. Чтобы все, что я делаю, вело к значительному результату. Как зачастую живут многие лаборатории: у них есть какая-то методика, и они пытаются ее применить, то есть делают то, что возможно в данных условиях и на имеющемся оборудовании. А мне хочется не так. Я хочу иметь большую цель. Квантовый компьютер в этом смысле — хорошая цель. Она мотивирует.
Это нечто достаточно сложное и интересное, чтобы на него было не жалко жизнь потратить. Хочется, конечно, чтобы ионый компьютер в какой-то момент стал вычислительным устройством, на котором люди смогли бы считать нечто полезное, чтобы им не нужно было для этого погружаться в детали его устройства. Ведь сейчас 99,9% людей, наверное, понятия не имеют, как устроен процессор, который производит вычисления в их компьютере. Мне хочется квантовую технологию довести до такого уровня, когда люди смогут пользоваться квантовым процессором и даже не задумываться о том, что он собой представляет.
До этого, конечно, еще очень далеко. Может быть, это задача больше в инженерной плоскости лежит, чем в научной. Но сейчас постепенно стирается грань, во-первых, между разными областями науки, а во-вторых, между наукой и инженерией. Мы навешиваем ярлыки — физик, химик, биолог, инженер. А природе-то, в общем, все равно. И по мере того как мы начинаем решать все более сложные задачи, делаем все более сложные искусственные системы, мы неизбежно становимся инженерами. Но такие инженеры должны быть с хорошим физическим бэкграундом — традиционное инженерное образование ведь не подразумевает глубокого знания квантовой теории. То есть я сейчас больше мотивирован прикладными задачами, я не занимаюсь фундаментальной наукой в том смысле, что не предпринимаю попыток узнать что-то новое про природу. Мои действия обусловлены скорее использованием уже имеющегося громадного количества знаний для того, чтобы создать новый объект.
Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.