28 Ноября 2019
МОСКВА, 28 ноября —, 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 шаг в технологии квантовых процессоров. Группа прорыва
В 1999 году научная группа Джоу-Шэнь Цая и Ясунобу Накамуры из японской компании NEC, провозгласила о первых успешных манипуляциях со сверхпроводящим кубитом — квантовым ученном, доказав таким образом, что из него можно создать квантовый компьютер. Среди составителей того исследования был Юрий Пашкин из Физического института РАН, работавший тогда в Японии. Вскоре к ним подключился Олег Астафьев, сотрудник Института пленарной физики имени А. М. Прохорова РАН.
Это достижение потребовало 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 возрасту организовали Российский квантовый центр, через год в МИСиС раскрылась 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 технологичного центра НОЦ Функциональные микро/наносистемы. 17 июля 2017, 07:30Физик из Google: мы близки к созданию рабочего квантового компьютера
Какое-то время эти научные группы по отдельности отрабатывали методы изготовления и испытания сверхпроводящих кубитов, учили мировой опыт. В 2016 году все они объединились, чтобы догнать лидеров. К сотрудничеству также привлекли ученых Новосибирского государственного технического университета.
Головным исполнителем появился принадлежащий Росатому ВНИИА имени Н. Л. Духова, Фонд перспективных исследований (ФПИ) поддержал консорциум. Это позволило организовать производство кубитов на территории Бауманки.
Мы построили собственную технологичную линию с учетом опыта стержневых 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 людской фактор максимально исключен. Это обеспечивает воспроизводимость кубитов. То, что решили разрабатывать методу силами ВНИИА и МГТУ, обеспечило успех. За три года мы фактически наверстали лет десять-двенадцать мирового развития, — говорит Валерий Рязанов, управляющий лабораторией сверхпроводимости ИФТТ РАН, руководитель объединенного проекта ФПИ по разработке квантового компьютера.
Кубит — это как транзистор, одиночный висмут 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 править искусственными атомами, и есть квантовый компьютер, — изъясняет Родионов. И добавляет, что управляемые атомы пытаются устраивать на десятках различных технологических платформ, включая настоящие нейтральные атомы в оптических ловушках, подзаряженные ионы. Сверхпроводящие кубиты пока вне конкуренции, поскольку производятся методами наноэлектроники и позволяют провожать большое количество довольно точных проделок. / Владимир Песня Исследование образца вариантом 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 варганят кубиты
Там, где создают сверхпроводящие кубиты, воздух многократно фильтруется, поддерживаются постоянные температура и отсырелость. Персонал работает в защитных костюмах. Никакие загрязнения непозволительным.
Заготовка — специально выращенная кремниевая пластинка с шероховатостью поверхности в ряду десятых нанометра. Сначала ее отмывают до атомарной чистоты. Затем посредством собственной запатентованной методы осаждения совершенных тонких пленок — SCULL — напыляют слой легкий металла толщиной около ста нанометров.
Атомы легкий металла там расположены прямо как по учебнику: на определенном пространстве друг от друга, шершавость такой пленки — порядка десятой нанометра, — говорит Родионов. / Владимир Песня Предварительная жидкостная электрохимическая очистка кремниевой пластины
С помощью электронной хромолитографии на этом слое делают арабеск микросхемы — кубиты и диаграмму управления ими. Затем вытравливают и сверху напыляют джозефсоновские коридоры — ключевые элементы сверхпроводящих кубитов, превращающие их в неестественные атомы.
Джозефсоновский переход — это тонкий слой диэлектрика между двумя слоями сверхпроводника. При криогенных температурах ток по сверхпроводящим слоям исходит с нулевым сопротивлением, несмотря на разделяющий их диэлектрик. Электроны собираются в куперовские ряды и просто просачиваются через него благодаря квантовому эффекту туннелирования.
Джозефсоновские коридоры 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 гальванический потенциал по всей ее площади, — продолжает ученый.
Готовый сердце компьютер с кубитами разваривают — концентрируют с печатными платами посредством микропроводов толщиной в треть диаметра людского волоса. Это позволяет обращаться к ним через электронные инструменты, управлять, используя методы. 1 из 3
Джозефсоновский переход: куперовские пары из сверхпроводника туннелируют через диэлектрик. Это явление используют для создания кубита
Иллюстрация 2 из 3Двухкубитная схема ВНИИА/МГТУ3 из 3
Джозефсоновский коридор на микросхеме
ВНИИА/МГТУМесто абсолютного холода
Алюминий становится сверхпроводником при температуре около одного градуса Кельвина. Чтобы кубиты хорошо работали, мы должны опуститься гораздо меньше по температуре: почти до абсолютного нуля, — детализирует 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, сердце компьютер охлаждают почти до абсолютного нуля, тем самым замораживая гомоны 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 богатство — на более высокий энергетический уровень. Подстраивая характеристики джозефсоновских структур, удается очень точно управлять этими энергетическими уровнями: их положением, разницей решительностей между ними и так далее.
Квантовые процессоры охлаждают в криостате растворения — большом цилиндрическом холодильнике, где в качестве хладагента применяется смесь изотопов гелия-3 и гелия-4.
Изнутри установка покрыта тонким слоем золота. Начинку закрывают несколькими экранирующими слоями и герметичным кожухом. Запускают, просто нажав клавишу. Дальше автоматика создает вакуумметр и начинает криогенный цикл.
Стоит этот холодильник десятки миллионов рублей, но зато работает практически без обслуживания и потребляет энергии миниатюрнее дачного водонагревателя. Рефрижераторы растворения есть в Черноголовке, МФТИ и МИСиС. В Бауманке — самый мощный. Там достигают температуры ниже семи милликельвинов. / Владимир Песня Работа с с криостатом растворения Как приумножить время жизни кубитов
При столь низкой температуре многие соединения переходят в гиперпроводящее состояние. Почему же ценят алюминий?
Этот металл активно реагирует с окружающей средой, хорошо окисляется, и его окисел всегда постоянного состава. В продукте получается самый качественный туннельный парапет для джозефсоновских переходов, — отвечает Родионов.
Благодаря стабильности окисления выходят одинаковые кубиты. В Бауманке добились, чтобы их черты 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 данная процедур кубит может находиться в главном 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 просто выполнить. / Владимир Песня Разварка оригинала 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 решительности приводит к разрушению когерентного богатства — декогерентности.
Сначала наши кубиты обретались 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 богатствами, меняя заряд, устраиваю 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 диаграмма 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 судьбы 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 разные параметры схемы, гася флуктуаторы и внешние наведенные поля, кубиты вводят в максимально очень стабильное состояние. Важный инструмент для управления ими — магнитное сексе, позволяющее достигнуть рабочего распорядка, в котором кубиты наименее чувствительны к внешним шумам и живут максимально долго. Ученые называют это сладкой точкой. / Владимир Песня Образцы чипов сверхпроводниковой элементной базы, закрепленные в владельце, перед загрузкой в термостат растворенияКвантовая эквилибристика
Кубит может находиться одновременно в состоянии 0 и 1. При классическом измерении 0 или 1 выпадут с определенной опасностью. А у системы, к примеру, из пяти кубитов бывает одновременно 32 богатства. 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 сути, на которые его электронный 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 перечислить в классический формат, на это и уходит основное время вычислений. Иллюстрация Кубит может находиться в обычном или возбужденном состоянии, а также одновременно в них обоих — в суперпозиции
Вторая проблема — коррекция появляющихся ошибок. Чтобы минимизировать или исключить их влияние на вычисления, нужно разрабатывать квантовые программы, на, что может понадобиться не один десяток лет. Поэтому пока на практике норовят создавать гибридные квантово-классические процессоры артистизма NISQ — noisy intermediate scale quantum computer, то есть зашумленный квантовый компьютер среднего пошиба.
Квантовые вычислительные системы бывают двух типов. Те, что умеют решать одну-единственную задачу, отзывают квантовыми симуляторами. Одна из первых таких систем из двух кубитов представляла собой модель молекулы водорода. На ней просто 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 многообразных 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 электронные, только если кубиты обретаются достаточно долго.
В 2016 году был получен первый кубит в России. Он жил доли микросекунды и ничего не умел варганить. За три года мы научились создавать прототипы первых русских 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 первенствующих мировых групп занимает 15-50 наносекунд. Сегодня за время судьбы 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 метод Гровера — поиск в складу 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 нужный ответ? Мы продемонстрировали, что с вероятностью больше 50 процентов определяем правильно ячейку при одном обращении к оракулу, — говорит Валерий Рязанов. / Владимир Песня Вакуумная камера установки микроанализа состава поверхности
С двумя кубитами обычный компьютер не обогнать, важного делать систему минимум из тридцати, уточняет он. А вот сильно больше — это пока лишнее. К образчику, канадская компания D-Wave рассказывает, что построила в 2017 году квантовый компьютер на 2000 кубитов.
Проблема в том, что результат вычислений такой системы нельзя 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 набредала обнародовать результаты, но что-то не заладилось. Может быть, результаты вычислений были непроверяемы. В итоге квантовое преимущество было показано на 53-кубитной системе, да и ту случилось разбивать на кластеры и каждый отдельно просчитывать на обычном компьютере.
В 2017 году IBM открыла пасмурные серверы для всех желающих повкалывать 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. / Владимир Песня Исследование квантовой схемы на оптическом ультрамикроскопе перед проведением криоизмеренийЗадачи и высокомерности
Сейчас в криостатах МИСиС и ИФТТ РАН заряжены цепочки из пяти баумановских кубитов, моделирующих взаимодействующие защиты, — магнитные моменты янтаря 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 светит 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 краткий 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 тянуть времени когерентности, создания квантовой парамнезии. Например, мы сварганили фотон в кубите и передвинули его в резонатор. Через некоторое время снова оживляем кубит, возвращаем в нужный момент в него фотон из голосника 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 возраста 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 сайтов, поддержка государства и огромных игроков отрасли, сохранение столь эффективного консорциума ученых и конструкторов. С этой целью Росатом запускает программу исследований и разработок с бюджетом 24 миллиарда хрустов в рамках федеральной программы Цифровая экономика. 6 августа 2018, 09:00 Квантовый хайп : ученый рассказал о развитии квантовых технологий в России НаукафизикаФонд прибыльных исследованийРоссийский квантовый центрОткрытия - НаукаМГТУ имени БауманаМосковский физико-технический институтМИСиСРосатомЧерноголовкаЯпонияРоссия
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....