Технические реализации квантовых компьютеров

Полезные материалы:

• Квантовый компьютер: из чего и для чего?

• Реализация квантового компьютера на магнитном резонансе

• Иван Погорелов, Компактный прототип квантового компьютера на основе ионов в ловушках

• Положительно заряженный квантовый компьютер: квантовые вычисления на ультрахолодных ионах

• Что такое квантовый компьютер с ионной ловушкой?

• Физические основы квантовых вычислений

• Квантовые компьютеры - теория, примеры задач с решениями

• Запустить квантовый компьютер от IBM в облаке

• Устройство квантового компьютера на атомах рубидия

• Устройство квантового оптического компьютера - pdf

Критерии ди Винченцо - возможность использования физического объекта в качестве кубита:

1. Наличие у данного объекта как минимум 2 квантовых состояний

2. Возможность инициализации - приведения в стартовое известное состояние всей системы кубитов

3. Устойчивость квантовых состояний

4. Возможность проведения логических операций

5. возможность точного и однозначного измерения

В качестве кубита могут выступать такие квантовые 2-уровневые системы, как:

• ионы или нейтральные атомы с 2 низколежащими колебательными или сверхтонкими уровнями, удерживаемые в силовых ловушках, созданных в вакууме с помощью электрических и магнитных полей, при лазерном охлаждении до микрокельвиновых температур

• сверхпроводниковые структуры с переходами Джозефсона

• отдельные электронные и ядерные спины в магнитном поле

• квантовые точки с двумя электронными орбитальными и спиновыми состояниями

• определённые состояния квантованного электромагнитного поля в электродинамических резонаторах и фотонных кристаллах

Преимущество работы квантового компьютера над классическим основывается на наличии запутанных (сцепленных) состояний между кубитами. Запутанность выражается в том, что при всяком изменении состояния одного из кубитов остальные меняют своё состояние согласованно с ним.

Причём это происходит не посредством обычных классических взаимодействий (классических корреляций), ограниченных, например, скоростью света, а посредством нелокалъных квантовых корреляций, когда изменение сказывается в тот же самый момент времени независимо от расстояния между сцепленными кубитами.

Наличие запутанных состояний между кубитами является основным фактором, отвечающим за квантовый параллелизм. Этот эффект не имеет аналога при работе классических компьютеров. Если в классическом компьютере вычисляется единственное выходное значение для одного входного, то в квантовом компьютере вычисляются выходные значения сразу для всех входных состояний.

Таким образом, благодаря квантовому параллелизму, квантовый компьютер на каждом такте свой работы преобразует сразу все базовые состояния. В результате этого квантовые вычисления являются параллельными, что должно позволить получить значительное увеличение скорости и эффективности вычислений квантовых компьютеров по сравнению с классическими.

Универсальные квантовые компьютеры

• факторизация (алгоритм Шора) - взлом распространенных криптографических кодов
• поиск в базе данных (алгоритм Гровера и др.)
• квантовая химия
• расчет новых материалов...

Адиабатические компьютеры, устройства квантового отжига

• задачи оптимизации (логистика, транспортные потоки и т.д)
• машинное обучение (combinatorial optimization problems)
• искусственный интеллект …

Аналоговые квантовые компьютеры (симуляторы)

• моделирование квантовых систем
• фотосинтез и лекарства…

Гибридные вычислительные системы

• специализированные квантовые вычислители (со-процессоры), встроенные в классические компьютеры (решение систем линейных уравнений, матриц…)

Какой квантовый компьютер хороший?

1. Большое число кубит

2. Можно подготовить известное начальное состояние

3. Время декогеренции достаточное для проведения логических операций

4. Возможность реализации универсального набора логических вентилей, операций

5. Возможность измерения состояния отдельного кубита

Квантовый компьютер - основные понятия

Процесс квантового преобразования информации

Квантовый компьютер - основные события

В конце 2001 года IBM заявила об успешном тестировании 7-кубитного квантового компьютера, реализованного с помощью ядерного магнитного резонанса. На нём был исполнен алгоритм Шора и были найдены сомножители числа 15[31].

В 2005 году группой Ю. Пашкина при помощи японских специалистов был построен 2-кубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах[32].

В ноябре 2009 года впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из 2 кубитов[33].

В феврале 2012 года IBM сообщила о достижении значительного прогресса с использованием сверхпроводящих кубитов, соединённых с кремниевыми микросхемами.

В апреле 2012 года удалось построить 2-кубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями, он функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азота. Реализован алгоритм Гровера для 4 вариантов перебора.

В июле 2017 года группа физиков под руководством Михаила Лукина создала программируемый 51-кубитный квантовый симулятор. Это самая сложная подобная система из существующих на тот момент. Авторы проверили работоспособность симулятора моделированием сложной системы из множества частиц — это позволило физикам предсказать некоторые ранее неизвестные эффекты.

Примерно в это же время другая группа учёных из университета Мэриленд под руководством Кристофера Монро создала 53-кубитный симулятор, основанный на ионах в оптической ловушке. Однако обе эти системы не являются универсальным компьютером, а созданы для решения одной задачи.

В ноябре 2017 года учёные IBM успешно построили и испытали прототип процессора с 50 кубитами.

В январе 2018 года исполнительный директор компании Intel Брайан Кржанич сообщил о создании сверхпроводящей квантовой микросхемы с 49 кубитами.

В марте 2018 года компания Google объявила, что ей удалось построить 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone, имеющий низкую вероятность ошибок в вычислениях.

В декабре 2018 года сообщено о разработке оптического микрочипа, который в будущем запланировано использовать составной частью квантового компьютера.

В январе 2019 года компания IBM представила первый в мире коммерческий квантовый компьютер IBM Q System One.

В октябре 2019 года компания Google объявила, что ей удалось построить 53-кубитный сверхпроводящий квантовый процессор Sycamore и продемонстрировать «квантовое превосходство» над обычными компьютерами.

В декабре 2020 года исследователи из Китая опубликовали статью, в которой утверждается, что их квантовый компьютер Цзючжан смог достичь квантового превосходства. Компьютер работает на основе оптических квантовых вычислителей (кубиты базируются на фотонах) с применением «бозонного семплинга».

Наиболее перспективные физические реализации квантового компьютера

Из всех известных направлений в развитии элементной базы квантовых компьютеров наиболее привлекательными с точки зрения создания суперкомпьютеров в настоящее время представляются следующие:

• полупроводниковые ЯМР-квантовые компьютеры

• квантовые компьютеры на переходах Джозефсона

• квантовые компьютеры на квантовых точках

Указанные перспективные направления конструирования квантового компьютера допускают произвольно большое число кубитов и для них существует множество наработанных приёмов микро- и нанотехнологий создания полупроводниковых и сверхпроводниковых интегральных схем.

1. Квантовый компьютер на ЯМР в жидкости

ЯМР - резонансное поглощение/испускание электромагнитной энергии ядрами с ненулевым спином. В зависимости от спина, вещество особым образом взаимодействует с магнитным полем.

Нужно просто взять раствор молекул и поместить его при комнатной температуре во внешнее магнитное поле. При этом ядра, как маленькие магниты, займут одно из двух положений - по полю и против него (это один кубит), а переходы между ними можно вызывать резонансными радио- импульсами. В молекулах между ядрами разных атомов через общие валентные электроны происходят спин-спиновые взаимодействия. Эти связи кубитов должны служить для установления между ними логических отношений. Отсюда

Преимущества:

• Ядерные спины сами по себе являются кубитами (кубиты не нужно создавать)

• Работает при комнатной темперапре

• Хорошо развиты техники управления и обработки сигнала

• характеризуются большими временами декогеренции

Недостатки:

• Однокубитовые и двукубитовые квантовые операции являются относительно медленными.

• Число ядерных спинов-кубитов в отдельной молекуле с достаточно различающимися резонансными частотами ограничено

2. Квантовый компьютер на ионах в магнитной ловушке

Преимущества:

• легко управлять индивидуальными ионами
• большое время декогерении (ионы можно удерживать в ловушке месяцами)

Недостатки:

• надо охлаждать

• много атомов/ионов не хотят долго сидеть в ловушке

• проблема декогерентизации квантовых состояний, определяемой сильным взаимодействием заряженных частиц с окружением

• ограниченность возможного числа кубитов значением 40 (реально достигнутое число кубитов в таких системах, по-видимому, не может в ближайшее время быть существенно увеличено)

Устройство квантового компьютера на атомах рубидия

3. Фотонный квантовый компьютер

В роли кубита - поляризация одиночного фотона.

Преимущества:

• Огромное время декогеренции
• Разработана элементная база для управления
• Работает при комнатной температуре
• низкий уровень шума

Недостатки:

• Фотоны не взаимодействуют между собой (если им не помочь)
• Тяжело генерировать однофотонные состояния

Квантовый компьютер на сверхпроводящих контурах (основан на переходах Джозефсона)

Преимущества:

• Легко организовать квантовые вентили
• Легко адресно управлять

Недостатки:

• Сверхпроводимость пока что требует низких температур
• Тяжело сделать одинаковые контуры-кубиты

Квантовое подбрасывание монетки

Проблемы создания полноценного квантового компьютера

• малое количество кубитов, сложность запутывания большого количества кубитов

• большое количество шумов, что мешает точному измерению конечного состояния кубитов

• помимо недостатка кубитов и их зашумлённости оказалось, что для реализации вентиля между удаленными друг от друга кубитами требуется с десяток операций, а когерентность между ними за это время успевает разрушиться.