Пятьдесят кубитов и еще один. В россии создан самый мощный квантовый компьютер в мире Профессор михаил лукин

В Гарварде я преподаю один курс в семестр. В основном это спецкурсы для аспирантов, сейчас — электродинамика. Здесь несколько уровней: вводный — на уровне книги Парселла, я же преподаю более продвинутый — что-то среднее между Сивухиным и Ландавшицем. Ландавшица здесь знают, но не особо используют. По моему мнению, это хорошая книга, но немного устаревшая. Например, все современные курсы с самого начала используют формализм векторов бра и кет для описания квантовых состояний. Первый квантовый том Ландавшица об этом не упоминает. Чтобы получить степень бакалавра по физике, нужно пройти всего несколько курсов: механика, электричество, термодинамика и волны. При этом есть много курсов высокого уровня. Tе, кто идет в аспирантуру, берут аспирантские курсы еще в бакалаврские годы. Здесь нет потолка, если есть интерес.

В Гарварде число предметов намного меньше, чем на Физтехе в 1-й год обучения, — там их было, наверное, десять. В Гарварде их четыре в семестр, но при этом они более интенсивные и в них часто включают проекты, выполняемые в лаборатории. Говорят, что Физтех смоделирован по образу MIT, но я в этом не уверен. Калифорнийский технологический институт (Caltech) больше похож на Физтех. Там все берут вначале одни и те же курсы. В 1998 году невозможно было даже мечтать о том, чтобы стать профессором в Гарварде. Здесь есть довольно необычные постдоковские стипендии — полная свобода, делай что хочешь. У тебя нет своей группы, однако ты можешь выбрать, с какой группой работать, а можешь работать сам. Стипендию непросто получить, но если удастся — считай, стал свободным художником. Я получил одну из них.

За три года на позиции постдока мы стали развивать интересные идеи, в частности, придумали эксперимент по остановке света. Этот процесс позволяет когерентно записать информацию о фотонном импульсе в атоме, а потом считать. Мы не только развили теорию, но и сделали эксперимент на ее основе, который получил широкую известность. По окончании трехлетнего срока в 2001 году мне предложили позицию assistant professor. Моя группа раз в несколько лет начинает разрабатывать новое направление. Из-за этого наша лаборатория довольно необычная, потому что мы не работаем в какой-то одной области. Для ученого очень важно время от времени менять направление. Это поддерживает научную молодость, заставляет думать, изучать новые вещи.

30 человек из моих выпускников уже стали профессорами, хотя обычно малая часть аспирантов остается в науке, в основном идут работать в крупные компании. В целом я считаю, что уход ученого в компании тоже делает мир лучше. В 2004 году мы начали использовать алмазные примеси как кубиты. Тогда у меня была толковая работящая аспирантка, которая занималась теорией. Мы стали думать, как построить твердотельные квантовые компьютеры или квантовые сети. В какой-то момент она пришла ко мне и сказала: «Никто не будет читать наши теоретические статьи, нужно сделать эксперимент». Тогда я только начинал, у нас была всего одна маленькая комната-лаборатория, и мой коллега одолжил нам место — уголок в его лаборатории три на три метра. Как потом оказалось, это был исторический, счастливый уголок, потому что в нем было совершено много важных открытий. Мы построили там два маленьких эксперимента. В течение пяти лет было восемь статей в Science и Nature — так началась алмазная кубитная деятельность.

Есть легендарная история. В одном из московских институтов был найден алмазный образец с уникальными свойствами для экспериментов: он был очень чистый. Его разделили на четыре кусочка: два достались нам, два — Штутгарту, где работала другая группа. Долгое время все эксперименты делались именно с этим алмазом. Сейчас, конечно, уже можно вырастить искусственные алмазы, которые по чистоте превосходят russian magic diamond — магический русский алмаз. Квантовый компьютер — это очень интересная, открытая тема, все об этом думают, компании инвестируют. Есть два очень интересных момента, о которых люди забывают. Мы пока не знаем, сможем ли мы построить настоящий большой квантовый компьютер в миллион кубитов. Более того, даже если мы его построим, никто пока точно не знает, для чего же он может пригодиться. Но мы уже начинаем создавать системы достаточно большие, когерентные и программируемые — уже ясно, что они позволят нам уникальным образом изучать динамику сложных систем. Я уверен, в ближайшие годы мы найдем много новых приложений.

Мои родители — ученые. Папа работает на Физтехе, а мама математик. Мой отец оканчивал Физтех, мой брат оканчивал Физтех. При этом мои родители считали, что заниматься в жизни можно чем угодно, но для начала нужно получить хорошее образование. По их определению, хорошее образование — либо физика, либо, в крайнем случае, математика. В детстве я хотел заниматься кино. Ходил в детские киностудии, что-то снимал, даже получал какие-то призы. Долгое время не занимался физикой специально, даже активно боролся с родителями, однако в какой-то момент стал задумываться, что делать дальше. Для кино нужно было поступать во ВГИК, а это казалось практически невозможным. В момент слабости родители уговорили меня попробовать порешать задачки, и мне очень понравилось. В последний год школы я занимался у Виктора Ивановича Чивилева с кафедры общей физики. Это просто изумительный человек и преподаватель. Сейчас он тренирует олимпиадные команды, преподает очень интересно, интуитивно. Виктор Иванович привил мне интерес к решению задач, за последний год школы я подготовился к вступительным экзаменам. Когда я поступал на Физтех, решать задачи мне нравилось, но все равно не был уверен: наука — это мое или нет? На ФОПФ шли все, кто хотел заниматься наукой. Поэтому я решил, что кванты — это что-то более прикладное. Так я и оказался на ФФКЭ.

Была интересная история: мы после второго курса летом ремонтировали наше общежитие, «двойку». Говорят, что его построили немецкие военнопленные в конце 40-х — начале 50-х, с тех пор оно потихонечку рушилось, его пытались привести в порядок, но ничего хорошего не выходило. Мы вместе с Фёдором Золотарёвым и Сашей Парбуковым взялись и отремонтировали его по государственным расценкам, но при этом используя поступающих ребят. После этого один из «зачинщиков» ремонта Фёдор Золотарёв создал свою строительную компанию. Говорят, у него много известных физтехов потом работало. Что пожелать физтехам? Развиваться, найти себя, не следовать за толпой. Всегда искать новые решения и не бояться сложных задач. Тогда все будет хорошо.

В пятницу утром, 14 июля, на Международной конференции по квантовым технологиям Михаил Лукин - сооснователь Российского квантового центра и профессор в Гарвардском университете - рассказал о создании его научной группой полностью программируемого 51-кубитного квантового вычислителя. На первый взгляд, такой результат можно назвать внезапным прорывом в этой области - такие гиганты, как Google и IBM, только подбираются к рубежу 50 кубитов в квантовом компьютере. Буквально вчера на сервере препринтов arXiv.org появилось подробное описание эксперимента. Редакция N + 1 решила разобраться в том, что же все-таки произошло и чего ждать от нового квантового компьютера.

Коротко о квантовых компьютерах - универсальных и неуниверсальных

На что похож 51-кубитный компьютер?

Разберемся с системой, созданной физиками в новой работе. Роль кубитов в ней играют холодные атомы рубидия, захваченные в оптическую ловушку. Сама ловушка представляет собой массив из 101 оптического пинцета (сфокусированного лазерного луча). Атом удерживается пинцетом в равновесном положении за счет градиента электрического поля - он притягивается к области с максимальной напряженностью электрического поля, которая находится в точке фокуса пинцета. Так как все пинцеты выстроены в ряд, все атомы-кубиты компьютера также выстроен в цепочку.

«Ноль» для каждого из атомов рубидия - его основное, невозбужденное состояние. «Единица» - специально подготовленное ридберговское состояние. Это такое возбужденное состояние, в котором внешний электрон рубидия оказывается очень далеко от ядра (на 50-й, 100-й, 1000-й орбитали), но по-прежнему остается с ним связан. Из-за большого радиуса ридберговские атомы начинают взаимодействовать (отталкиваться) на гораздо больших расстояниях, чем обычные. Это отталкивание и позволяет превратить ряд из 51 атома рубидия в цепочку сильно взаимодействующих частиц.

Для управления состояниями кубитов используется отдельная система лазеров, способная возбуждать их в ридберговское состояние. Главная и важнейшая особенность нового вычислителя - возможность напрямую адресоваться к каждому из 51 кубита. Существуют и более сложные ансамбли атомов, в которых наблюдаются запутанные квантовые состояния (недавно мы о 16 миллионах атомов, запутанных взаимодействием с одним фотоном), а квантовое моделирование выполняли и на более чем сотне холодных атомов. Но во всех этих случаях у ученых не было возможности точно контролировать систему. Именно поэтому новая система называется полностью программируемым квантовым компьютером.

Каждое вычисление на квантовом компьютере - в некотором смысле моделирование реальной квантовой системы. Основная часть новой работы посвящена моделированию хорошо известной квантовой системы - модели Изинга. Она описывает цепочку (в данном случае) частиц с ненулевыми спинами (магнитными моментами), взаимодействующих со своими соседями. Модель Изинга часто привлекают для описания магнетизма и магнитных переходов в твердых телах.

Эксперимент был построен следующим образом. Сначала частицы охлаждали и захватывали в оптические пинцеты. Это вероятностный процесс, поэтому поначалу массив частиц был хаотичным. Затем с помощью последовательности измерений и корректировок создавался бездефектный массив из более чем 50 холодных атомов в основном невозбужденном состоянии. На следующем этапе оптические пинцеты отключали и одновременно с этим включали систему, возбуждавшую атомы в ридберговское состояние. Некоторое время система эволюционировала под действием ван-дер-ваальсовых сил - атомы занимали наиболее «удобные» для них позиции, после чего пинцеты снова включали и изучали результат эволюции.

В зависимости от того, как близко располагались холодные атомы до возбуждающего импульса, физики наблюдали разные результаты эволюции. Это связано с тем, что ридберговские атомы способны подавлять возбуждение соседей до ридберговских состояний (из-за сильного отталкивания). Ученые наблюдали системы, в которых атомы после эволюции оказывались упорядочены так, что между каждой парой соседних ридберговских атомов был строго один, строго два или строго три обычных.

Интересно, что образование очень упорядоченных структур после свободной эволюции происходило с очень большой вероятностью - даже в случае массива из 51 холодного атома.

Чтобы посмотреть, как происходит процесс эволюции, ученые включали пинцеты и «фотографировали» систему в разные моменты времени. Оказалось, что в некоторых случаях эволюция к состоянию равновесия происходила очень медленно: система долгое время колебалась между несколькими состояниями. Этот результат можно подтвердить грубым классическим моделированием, вовлекая в анализ взаимодействия между соседними и следующими за соседними атомами.

Полезно ли это?

Это один из тех случаев, когда квантовое моделирование предсказывает реальный новый эффект. Стоит заметить, что точно смоделировать систему из 51 холодного атома с помощью классического компьютера невозможно. Чтобы только описать все возможные ее состояния потребуется 2 51 бита оперативной памяти (около петабайта). Подтвердить этот эффект удалось лишь грубым моделированием на классическом компьютере.

Интересно, что ровно обратная ситуация возникает при квантово-химических расчетах - классические компьютеры дают лишь приблизительную оценку свойств для сложных систем, затрачивая на это огромные вычислительные ресурсы. В то же время прямой анализ этих, безусловно, квантовых систем дает точный результат.

А для чего еще он пригодится?

В конце препринта авторы традиционно приводят список областей, в которых может быть полезна новая разработка. Можно перечислить некоторые из них: создание суперпозиций, состоящих из большого количества частиц, исследование топологических состояний в спиновых системах. Физики отдельно отмечают, что алгоритм хорошо подходит для решения задач оптимизации систем, размеры которых заведомо превышают предел досягаемости обычных компьютеров. Эти задачи включают в себя моделирование химических реакций и обучение .

Созданная Михаилом Лукиным и его коллегами система работает сейчас как квантовый симулятор - она моделирует системы, подобные самой себе. Однако стоит заметить, что на отдельных парах ридберговских атомов физикам уже удавалось создавать логические CNOT -вентили, используемые для создания запутанности. Поэтому можно говорить о том, что в новой системе можно реализовать некоторые простейшие алгоритмы (к примеру, алгоритм Дойча, или алгоритм Шора для очень маленьких чисел). Однако на данном этапе эти алгоритмы не будут полезными.

Михаил Лукин (слева) и Джон Мартинис (справа) - глава группы, разрабатывающей 49-кубитный квантовый компьютер в Google

Российский квантовый центр

В некотором смысле новое устройство уже сейчас способно решать задачи, недоступные для классических компьютеров - его невозможно точно смоделировать обычными компьютерами. Но говорить о полезном квантовом превосходстве, которое уже сейчас пригодится в прикладных задачах, еще рано. Многие ученые отмечают, что гонка за квантовым превосходством сейчас не несет в себе ничего полезного с точки зрения прикладных вычислительных задач.

Стоит заметить, что эксперименты с атомами в оптических решетках уже несколько лет назад превзошли предел досягаемости точного моделирования классическими компьютерами. В них используются десятки связанных между собой частиц. Например, с их помощью квантовые кооперативные явления, родственные сверхтекучести и сверхпроводимости. Является ли это квантовым превосходством?

Владимир Королёв

Российские и американские ученые из Гарвардского университета, работающие в группе Михаила Лукина, создали квантовый компьютер из 51 кубита, самый мощный на сегодня в мире. Об этом сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) профессор Лукин сообщил в своем докладе на Международной конференции по квантовым технологиям (ICQT-2017), которая прошла в июле в Москве под эгидой РКЦ.

В отличие от классических цифровых компьютеров, у которых память построена на принципе двоичного кода (0 или 1, «да» или «нет»), квантовые компьютеры строят на основе кубитов - квантовых битов. Они тоже допускают два состояния (0 и 1), но благодаря своим квантовым свойствам кубит дополнительно допускает еще и состояния суперпозиции, то есть, условно говоря, еще массу промежуточных состояний между двумя основными состояниями, описываемых комплексными (мнимыми) числами. Понятно, что при таких условиях мощность и быстродействие квантового компьютера на несколько порядков выше.

Саму идею использовать квантовые вычисления для решения чисто математических задач предложил еще в 1980 году Юрий Манин из Института имени Стеклова, а год спустя принцип построения квантового компьютера сформулировал Ричард Фейнман. Но прошли десятилетия, прежде чем появились технологии, способные реализовать их идеи на практике.

Главной проблемой было создать устойчиво работающие кубиты. Группа Лукина использовала для них не сверхпроводники, а так называемые холодные атомы, которые удерживаются внутри лазерных ловушек при сверхнизких температурах. Это позволило физикам создать самый большой в мире квантовый вычислитель из 51 кубита и обойти своих коллег группы Кристофера Монро из университета штата Мэриленд (5-кубитныое устройство) и группы Джона Мартиниса из компании Google (22-кубитное устройство).

Образно говоря, при строительстве кубитного компьютера физики вернулись от цифровых к аналоговым устройствам первой половины прошлого века. Теперь их задача - перейти к «цифре» на новом, квантовом уровне. Используя набор кубитов на основе «холодных атомов», команда Лукина уже смогла решить несколько частных физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи классических компьютеров.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Помимо решения чисто научных задач из области квантовой механики профессор Лукин не исключает, что его команда попытается реализовать на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, перед которым бессильны существующие ныне системы шифрования. Но и других практических областей, где новое поколение компьютеров могло бы произвести революцию, множество. Например, гидрометеорология, где сейчас явно не хватает мощности существующих вычислительных устройств для повышения точности прогнозов погоды.

Квантовые компьютеры делают первые шаги, но не за горами время, когда они станут такой же обыденностью, как нынешние ПК.

МОСКВА, 14 июл — РИА Новости. Российские и американские ученые, работающие в Гарварде, создали и проверили первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51 кубита. Устройство пока является самой сложной вычислительной системой такого рода, заявил профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин.

Физик сообщил об этом, выступая с докладом на Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017, которая проводится под эгидой РКЦ в Москве. Это достижение позволило группе Лукина стать лидером в гонке по созданию полноценного квантового компьютера, которая неофициально проходит уже несколько лет между несколькими группами ведущих физиков мира.

Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.

Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности.

В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считалась команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.

Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая, как рассказал Мартинис РИА Новости, сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические "холодные атомы".

Как обнаружили российские и американские ученые, набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных "клеток" и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать пока самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.

Используя набор подобных кубитов, команда Лукина уже решила несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи "классических" суперкомпьютеров. К примеру, российские и американские ученые смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.

Для проверки результатов этих вычислений Лукину и его коллегам пришлось разработать специальный алгоритм, который позволил провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Лукин не исключает, что его команда попытается запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA. По словам Лукина, статья с первыми результатами работы квантового компьютера уже была принята к публикации в одном из рецензируемых научных журналов.

В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.

«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, - отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. - Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».

Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью - развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.

«Неправильно думать об этом, как о гонке, - справедливо считает Джон Мартинес. - Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита - это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».

Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, - это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит - это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.

«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, - рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. - Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».

Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.

«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, - полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. - Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».