Мал кубит, да дорог

В МФТИ исследуют новые подходы к квантовой информатике и квантовой оптике

Кубиты — квантовые биты, лежащие в основе компьютеров будущего, работающих по законам квантовой физики. Им станут доступны вычисления, на которые не способны даже самые мощные современные компьютеры. При этом информационная безопасность квантовых вычислительных устройств будет намного превосходить даже самые смелые ожидания. Серьезные исследования в этой сфере ведутся в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ под руководством профессора Сколтеха Олега АСТАФЬЕВА. Сегодня он отвечает на вопросы «Поиска».
— Олег Владимирович, в чем сила и слабость новых видов электроники, использующих сверхпроводимость, по сравнению с обычной полупроводниковой?
— «Новые виды электроники» — это не электроника в обычном понимании, это устройства, элементарным объектом которых являются квантовые системы. Такие системы описываются квантовой механикой, и в основе лежит контроль квантовых состояний или, точнее, контроль волновой функции при помощи внешних электрических сигналов. В этом ее существенное отличие от классической электроники. Поэтому надо говорить не о преимуществах и недостатках, а о новых возможностях, которые появляются благодаря использованию контролируемых квантовых систем. Одной из основных проблем квантовых состояний является их «хрупкость». Они легко разрушаются при взаимодействии с внешним миром.
Мы работаем со сверхпроводниковыми квантовыми системами. В основе их лежат достижения нанотехнологии и возможность изготавливать структуры, которые в рабочем состоянии имеют дискретные (квантовые) уровни. Такие структуры также называют искусственными атомами. Искусственные атомы могут быть полезны и для разработки приборов нового типа с полным контролем квантовых состояний. Наиболее известные из них — квантовые компьютеры, но не только.
— Как именно сверхпроводимость связана с квантовыми технологиями?
— Сверхпроводимость в своей основе — квантовое явление. Кроме того, в сверхпроводящих материалах течет бездиссипативный постоянный ток, что означает, что в таких системах можно минимизировать потери, в том числе потери квантовой информации. С технической точки зрения существует возможность изготавливать туннельные переходы очень маленьких размеров. Туннельный переход — это важнейший элемент квантовых структур. Все это вместе делает сверхпроводимость отличным кандидатом для разработки и изготовления квантовых систем и даже интегральных схем на их основе.
— Расскажите, пожалуйста, кто в России и в других странах занимается исследованиями в этой области?
— В нашей области сверхпроводниковых квантовых технологий мы тесно сотрудничаем с лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС и лабораторией сверхпроводимости Института физики твердого тела РАН.
Число исследовательских групп, занимающихся вопросами создания и исследования сверхпроводниковых квантовых систем, непрерывно растет. Также стремительно увеличиваются инвестиции. Наибольших успехов добились компании IBM, Google, D-Wave. D-Wave, например, работает над созданием многокубитных схем уже почти 20 лет. Существуют интегральные схемы, содержащие несколько десятков контролируемых кубитов.
— Кубиты — это квантовые биты, которые могут находиться в двух состояниях одновременно?
— Квантовые биты — это двухуровневые квантовые системы. Можно, например, считать, что система, находящаяся в основном состоянии, кодирует ноль, а в возбужденном — единицу. Это похоже на кодировку элементарной информации в битах классических компьютеров, правда, ноль от единицы отличается на квант энергии — минимальную возможную порцию энергии. Принципиальное же отличие состоит в том, что кубит может находиться в состоянии суперпозиции нуля и единицы. Несколько кубитов, находящиеся в состоянии суперпозиции, кодируют большое количество чисел одновременно, и любая операция совершается над всеми ними одновременно вместо последовательных операций над каждым числом в классических компьютерах. В этом заключается принцип так называемого квантового параллелизма, за счет которого и достигается квантовое ускорение при решении специфических задач. Последнее замечание важно, так как квантовые компьютеры, если когда-нибудь заработают, не заменят суперкомпьютеры.
— Когда был создан первый российский сверхпроводниковый кубит? Как он выглядел?
— В 2015 году в МФТИ под моим руководством была создана лаборатория искусственных квантовых систем в рамках программы «ТОП-100». На средства программы было закуплено низкотемпературное и измерительное оборудование. К тому времени в МФТИ уже успешно работал Центр коллективного пользования (ЦКП) с оборудованной современной «чистой» зоной, достаточной для изготовления сверхпроводниковых наноструктур.
Молодые сотрудники лаборатории за короткое время приобрели необходимую квалификацию для изготовления и измерения сверхпроводниковых квантовых наноструктур при сверхнизких температурах. И уже в 2015 году нами был продемонстрирован первый работающий полностью российский кубит. Он представлял собой колечко микронного размера с туннельными переходами (джозефсоновскими переходами с размерами порядка 100 нанометров). Первый раз изготовить и заставить кубит работать — большая и сложная задача.

— Как ваш интерес к сверхпроводимости привел вас к работе над квантовым компьютером?
— Я работал в этой области с конца 1990-х годов сначала в Японии, а затем в Англии профессором Лондонского университета. Когда появилась возможность заняться этим же направлением в России (закупить оборудование, привлечь людей), а тем более в МФТИ, где студенты очень сильны в физике, то с удовольствием воспользовался этой возможностью. Лично мне эта область нравится тем, что она относится к фундаментальной физике и есть большой спектр интересных задач.
Что касается интереса к квантовым компьютерам, то тут я вас, вероятно, несколько разочарую. Собственно разработка квантовых процессоров становится инженерной деятельностью, хоть и требующей знания квантовой механики. Нам как раз интереснее заниматься фундаментальной наукой. Но нам необходимо участвовать в большом проекте по созданию квантового процессора, так как в его рамках мы, во-первых, можем развивать технологию и методы измерения, а во-вторых, что немаловажно, это дает нам материальную поддержку. Другое дело, что и в области квантовых вычислений и больших квантовых систем помимо инженерной деятельности есть еще и научные вопросы и задачи.
Например, на нашем универсальном квантовом процессоре из 8 кубитов (последняя наша разработка) мы занялись проблемами машинного обучения. Это увлекательная научная задача, и мы в последнее время добились существенного прогресса в этом направлении. Удивительно, что наше устройство работает и решает задачи классификации и распознавания образов. И главное — сотрудникам и студентам лаборатории это направление тоже нравится.
— А сколько человек сейчас работают в вашей лаборатории?
— Около 30 человек. В основном это студенты, аспиранты, молодые кандидаты наук.
— Какими преимуществами обладают сверхпроводниковые квантовые системы по сравнению с другими квантовыми объектами?
— Основное преимущество сверхпроводниковых квантовых систем по сравнению другими квантовыми объектами (естественными атомами, ионами, квантовыми точками) заключается в том, что можно рассчитать и спроектировать квантовую схему с заданными свойствами, а затем изготовить ее с использованием методов современной наноэлектроники. Схема контролируется внешними электрическими импульсами и СВЧ-излучением, то есть электронными приборами. Другое преимущество — возможность масштабирования. После отладки небольшой схемы ее можно наращивать и изготавливать интегральную схему.
— Сейчас необходимо охлаждать систему почти до абсолютного нуля. Возможно ли постепенно уйти от этого ограничения?
— Сама сверхпроводимость существует только при низких температурах. Даже если удастся использовать материалы высокотемпературной сверхпроводимости, квантовые системы все равно будут требовать охлаждения, чтобы избежать термического возбуждения. Температурные флуктуации должны быть как можно меньше по сравнению с энергией кубитов.
Но низкие температуры сегодня не являются главной проблемой. Сейчас существуют так называемые «сухие» рефрижераторы растворения — автоматизированные холодильные машины замкнутого цикла. Для охлаждения образца достаточно нажать на кнопку — и через сутки температура в рефрижераторе достигает 0,01 кельвина.
— А почему эти машины называются «рефрижераторами растворения»?
— «Рефрижераторами растворения» такие машины называются потому, что на последней стадии охлаждения от 1 К до 0,01 К гелий-3 растворяют в гелий-4 (два стабильных изотопа гелия), в результате чего температура смеси падает. Такие установки с достаточной мощностью охлаждения для наших структур дорого стоят и в России пока не производятся. В советское время были хорошие компетенции в этой области, они пока не полностью утеряны, так что, возможно, мы будем иметь отечественные рефрижераторы, если правильно организовать их разработку.
— Для охлаждения кубитов используют гелий-3, природные запасы которого сильно ограничены, а производство очень сложно. Может ли гелий-3 в какой-то момент закончиться?
— Гелий-3 в природе содержится в очень небольших количествах, поэтому сейчас для разных целей его нарабатывают в ядерных реакторах. И мы, надо сказать, далеко не главные потребители. Кроме того, в рефрижераторах он циркулирует и не расходуется. Россия — один из немногих производителей гелия-3, поэтому, я надеюсь, мы без гелия-3 не останемся. Важнее сейчас на-учиться самим делать мощные рефрижераторы растворения.
— В 2021 году вы получили грант РНФ. Что должны сделать в рамках этого гранта?
— Да, я руководитель проекта под названием «Новые физические подходы к квантовой информатике и квантовой оптике со сверхпроводниковыми системами». Это грант на исследования, который предполагает взаимодействие с китайскими учеными, так как он совместный с Национальным научным фондом КНР.
— Как вы думаете, почему РНФ вас поддержал?
— Мы предложили исследование на переднем крае науки. С обеих сторон сильные научные коллективы с историей успешного научного сотрудничества. Думаю, что поэтому нас поддержали.
— Цель проекта — решение ряда проблем сверхпроводниковых квантовых систем. Каких результатов вы ожидаете?
— В рамках этого проекта выполняется довольно большой объем работ в области малоисследованных подходов к квантовой информатике на сверхпроводниковых кубитах. В настоящий момент практически все сверхпроводниковые квантовые процессоры изготавливаются на кубитах одного типа с электростатическим взаимодействием. Мы же хотим поизучать альтернативные типы кубитов, а также взаимодействие кубитов с акустическими модами вместо электромагнитных. Помимо практического интереса все это относится к фундаментальной физике. Собственно, фундаментальная физика нам наиболее интересна, как я уже говорил, и этот проект дает нам возможность ею заниматься. Результаты наших исследований публикуются в различных научных журналах.
— Расскажите, пожалуйста, что уже удалось сделать в рамках проекта?
— Поскольку у нас несколько направлений, вместо того чтобы перечислять достижения, которые требуют расшифровки и разъяснений, я бы остановился на одном из них, которое мне представляется наиболее необычным, а именно на квантовой акустике. Согласно проекту мы продемонстрировали фононный кристалл на поверхностных акустических волнах, связанный со сверхпроводниковым кубитом. Квантовая акустика — новое направление в физике. Интересно оно тем, что мы работаем не с электромагнитной волной, а со звуковой, хоть и на очень высоких частотах. Это своего рода СВЧ-акустика. Мы сделали необычный акустический резонатор и связали его с кубитом в квантовом режиме. Интересно это тем, что теперь можно эффекты квантовой оптики наблюдать в акустике. Вместо фотонов у нас фононы, а скорость звуковой волны на много порядков меньше, чем электромагнитной. Для практических применений это значимо тем, что размеры системы потенциально можно сильно уменьшить, так как для одних и тех же частот длина акустической волны примерно в десять тысяч раз короче длины электромагнитной.
— С какими сложностями пришлось столкнуться в ходе исследования?
— Основная сложность у нас сейчас — нехватка оборудования, и мы не все можем сделать из того, что хотелось бы. Кроме того, проект пришелся на ковидное время, причем Китай из него все еще не вышел окончательно. Мы планировали тесное очное общение (что очень важно в физике), семинары, рабочие совещания, но нам пока не удалось их провести, хоть еще и остается шанс в нынешнем году.
— В каких еще сферах, кроме квантовой информатики, возможно применение искусственных атомов?
— Есть захватывающие перспективы. Во-первых, в метрологии. Искусственный атом — это инструмент для изучения фундаментальных явлений. Используя его, мы изучали, например, эффект проскальзывания фаз в сверхпроводниковых нанопроволочках. Другое направление — сенсорика. Квантовая система очень чувствительна к внешним воздействиям и работает с единичными квантами, поэтому на ее основе можно создавать чувствительные детекторы.
— Как результаты вашего исследования планируется применять на практике? Как вы думаете, в каких сферах экономики сверхпроводниковая электроника будет особенно актуальной?
— Наши исследования в целом гораздо ближе к фундаментальной физике. Для использования результатов на практике потребуется значительное время. Возможно, применения найдут наши работы в области квантовых вычислений, но пока трудно сказать, когда и как. Вероятно, можно будет также симулировать квантовые системы, например, для новых материалов. Сенсоры на квантовых эффектах уже активно используются, в том числе сверхпроводниковые. Например, сверхпроводниковые магнитные интерферометры (СКВИДы — квантовые устройства с некоторой оговоркой) задействованы в медицине для электроэнцефалографии мозга. Вероятно, сенсоры на квантовых системах могут найти применение и в других областях науки и техники.

Юлия АНТАШЕВА

Фото предоставлены О.Астафьевым

Нет комментариев