1 июля 2013 года стало известно, что ученые из Российского квантового центра (РКЦ) и Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС впервые в России измерили кубит. Работа была выполнена под руководством профессора, члена научного совета РКЦ Алексея Устинова. Что такое кубит? Как он выглядит, из чего сделан? Наконец, как этот самый кубит можно измерить и для чего он может пригодиться? На эти и многие другие вопросы «Ленты.ру» ответил сам профессор Устинов.
«Лента.ру»: Что такое кубит?
Кубит ― это аналог классического носителя информации, известного как обычный бит в компьютерах. Это (классический бит) некая логическая единица, которая может принимать два значения, скажем: ноль и единичка. Их можно реализовывать при помощи транзисторов, которые могут переключаться между состояниями с разным напряжением ― разному уровню напряжения можно присвоить значения ноль и единичка. Так работает обычный компьютер.
Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Причем перекрываются в разной пропорции, то есть количество состояний кубита бесконечно, и его можно записать как сумму состояний ноль и один с разными коэффициентами (которые, вообще говоря, комплексные числа) таким образом, что сумма квадратов модулей коэффициентов равняется единичке. Ну, вот эти кубиты, они как бы реализуются в виде совершенно разных объектов ― атомов, ионов, фотонов, спинов атомов и прочего.
Какова физическая реализация кубита у вас?
Наши кубиты реализованы в виде напыленного на полупроводниковую подложку тонкого металлического (у нас алюминиевого) плоского кольца. И в это кольцо в качестве разрывов ― очень маленьких ― вставлены объекты, называемые джозефсоновскими переходами. Такие переходы ― базовый элемент сверхпроводящей электроники. По сути, они представляют собой разрыв в кольце, расстояние между берегами которого составляет несколько нанометров. Берега разделены прослойкой диэлектрика, в нашем случае просто оксидом алюминия. Главное свойство этих переходов заключается в том, что из-за явления туннелирования через эти разрывы протекает сверхпроводящий ток. Это явление было предсказано 50 лет назад Брайаном Джозефсоном.
Валерий Рязанов и Алексей Устинов в Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС
Если мы говорим о сверхпроводимости, то до каких температур охлажден кубит?
Десятки милликельвин.
Как достигаются такие низкие температуры?
Это довольно стандартная технология. Для охлаждения объекта до нескольких кельвин подходит обычный жидкий гелий. Чтобы охладить до десятых кельвина, приходится использовать один изотоп гелия ― гелий-3. Именно он позволяет получать еще более низкие температуры при атмосферном давлении. Речь идет о температурах порядка десятых долей кельвина. Наконец, чтобы опуститься еще ниже, требуется специальная смесь изотопов гелия-3 и гелия-4.
Сейчас вся эта технология довольно хорошо развита ― есть специальные холодильники, работающие на такой смеси, есть поставщики смеси. В общем, такие низкие температуры можно получать, просто включив прибор в розетку. Один такой, работающий на смеси, есть у нас в лаборатории в МИСиСе (в лаборатории сверхпроводящих метаматериалов ― прим. «Ленты.ру»). Там же есть еще один, работающий на гелии-4.
Что в вашем кубите играет роль нулей и единиц, то есть двух основных состояний?
В нашем кольце (кубит, напомним, реализован как кольцо на полупроводниковой подложке) при приложении определенного магнитного поля существуют два равновероятностных состояния. Они равновероятностные потому, что имеют одинаковую энергию (то есть ни одно из состояний не является более выгодным энергетически для всей системы, чем другое). Эти состояния соответствуют незатухающему сверхпроводящему току, текущему по кольцу по часовой и против часовой стрелки соответственно. Это и есть ноль и единица.
При достаточно низкой температуре между этими состояниями возможно туннелирование (здесь это следует понимать как спонтанный переход одного состояния в другое с некоторой вероятностью ― прим. «Ленты.ру»), поэтому фактически они существуют одновременно. Физики говорят, что в кубите возникает суперпозиция этих двух состояний.
Суть явления туннелирования заключается в следующем: квантовые частицы, в отличие от классических, могут с некоторой вероятностью проходить сквозь потенциальные барьеры. То есть, например, заряженная частица может пролетать сквозь барьер из изолятора, как в случае с кубитом. Туннелирование ответственно за эффекты в полупроводниковой электронике, радиоактивность, некоторые типы ядерного распада и многое другое.
В чем заключается достижение вашей лаборатории?
Достижение здесь пока, конечно, местного значения, работа только начинается. Как говорил один наш коллега в Черноголовке ― «впервые в Азии, не считая Японии». Схема кубита, которую мы использовали, была предложена еще 13 лет назад, а первый работающий вариант появился лет 10-11 назад. Сейчас ими занимается достаточно много лабораторий в мире ― измерять свойства кубитов может около десятка коллективов, включая мой в Карлсруэ, в Германии.
В данном случае достижением является то, что такой кубит был впервые померян в России. И трудности здесь состоят как в возможности получения низкой температуры, так и в том, что для проведения эксперимента необходимо сделать довольно большой набор непростых действий, чтобы экранировать кубит от влияния внешних паразитных магнитных полей (чтобы мерить при помощи специальных микроволновых устройств).
Считывание обычного бита ― это в целом понятно. Ноль ― единичка. В кубите же суперпозиция состояний. Что значит «мерить кубит»?
Опять-таки, измерение кубита можно делать по-разному, точного значения у этого термина нет. Мы реализовали одну из таких возможностей ― так называемое слаборазрушающее измерение. Итак, у нас есть два состояния ― ноль и единица, соответствующие току, текущему в разные стороны. Если мы теперь немного изменим внешнее магнитное поле, то одно из этих состояний станет более выгодным. Оказывается, что такое небольшое смещение вызывает изменение параметра кольца, называемого индуктивностью ― это фактически та самая индуктивность из школы, которая про катушку. В квантовом случае индуктивность определяется током, протекающим через джозефсоновский переход, поэтому ведет себя как так называемая параметрическая индуктивность. «Параметрическая» в названии означает, что она меняется под действием тока.
Это изменение мы и регистрируем. Для этого на частоте порядка 10 гигагерц мы посылаем к кубиту электромагнитный сигнал. При прохождении через образец у этого сигнала сдвигается фаза. Этот сдвиг вызывает изменение состояния кубита, которое влияет на индуктивность некоторой измерительной цепи, находящейся рядом с кубитом. Это изменение мы уже можем зарегистрировать ― у нас стоит холодный (то есть при низкой температуре) усилитель. Усиленный сигнал при этом по кабелю поступает в прибор, который позволяет уже при комнатной температуре мерить фазу сигнала.
Общий вид Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС
Цель эксперимента, который мы поставили, была пока самой простой из тех, которые только возможны. Мы не манипулировали квантовым состоянием, мы фактически установили, что у объекта существуют два уровня, соответствующих состояниям ноль и один. Мы также измерили частоту перехода между этими уровнями под действием микроволновых фотонов, которая зависела от внешнего магнитного поля, то есть померили спектр нашего квантового устройства. Вообще, когда мы измеряем кубит при помощи изменяющейся индуктивности, мы фактически меряем вероятность пребывания кубита в возбужденном состоянии (состояния с энергией выше минимальной). Поскольку кубит связан со всей окружающей средой, он живет там не бесконечно.
Сколько живет ваш кубит?
«Холодильник» Oxford Instruments, способный поддерживать температуру до 16 милликельвин
Для таких кубитов характерны времена порядка микросекунд. Это не так много по современным достижениям. Лучшие времена, которые были совсем недавно достигнуты, ― это порядка миллисекунды, то есть в тысячу раз больше. Но еще несколько лет назад характерные времена были наносекунды, то есть за 13 лет произошел прогресс примерно в миллион раз. Кубиты, которые мы здесь мерили, соответствуют среднему уровню на настоящий момент.
Это совершенно не рекордное измерение, но цели бить рекорды пока не ставилось ― нужно много сделать перед этим. Фактически мы просто научились мерить эти кубиты, и теперь мы планируем начать их производить здесь, в России. У нас будет инструмент для того, чтобы можно было делать с ними измерения. Мерить время когерентности, производить квантовые манипуляции, то есть делать квантовые преобразования, которые соответствуют логическим операциям.
И как скоро можно ждать первых функционирующих операций?
Дело в том, что такие логические гейты, то есть схемы, реализующие простейшие логические алгоритмы на сверхпроводящих схемах, уже продемонстрированы как минимум в трех крупных университетах: это Йель, Университет Санта-Барбары в Калифорнии и группа моего бывшего аспиранта, ныне профессора Андреаса Вальрафа (Andreas Wallraff) в Цюрихе. Но кубитная гонка во всем мире происходит уже довольно давно, и ломиться в нее, чтобы потом держаться в основной струе или в хвосте, ― дело довольно бессмысленное: слишком уж бурно идет прогресс в этом направлении. Я не говорю еще о том, что, например, компания D-wave уже создала 100-битный квантовый компьютер на принципе квантовой релаксации (это когда система релаксирует состояние с минимальной энергией). Подобные компьютеры позволяют вычислять состояния определенного класса систем и решать задачи, скажем, нахождения объекта среди многих других одинаковых объектов.
Поэтому у нас есть идеи делать что-то такое, что позволит привнести совершенно новый элемент, может быть, позволит в чем-то обойти основную группу команд, которые работают с кубитами. И в частности, в России есть уникальная технология, разработанная в группе Валерия Рязанова в Черноголовке, которая позволяет использовать для кубитов так называемые сверхпроводящие фазосдвигатели, а именно устройства, которые представляют собой джозефсоновские переходы на основе «сверхпроводник ― ферромагнетик ― сверхпроводник», получившие название пи-контактов. Я просто скажу, почему это имеет отношение к кубитам. Оказывается, что, если вставить такое устройство в кубит, можно заставить его работать без всякого внешнего магнитного поля, что дает огромные преимущества, потому что обычным источником декогерентности (в частности, причиной выхода из состояния суперпозиции ― прим. «Ленты.ру») являются случайные возмущения этого самого поля.
Пи-контакт ― это особый тип джозефсоновского перехода, в котором между берегами разрыва стоит не изолятор, а довольно слабый ферромагнетик. Надо понимать, что ферромагнетик и сверхпроводник ― фактически антагонисты. В первом спины ориентированы одинаково, а в сверхпроводнике они объединены в пары (в куперовских парах спины электронов противоположно направлены). Поэтому на первый взгляд при прохождении через ферромагнетик пары должны распадаться, но если слой ферромагного материала достаточно тонкий, этого не происходит. При этом, однако, при правильном подборе материала происходит сдвиг фаз волновых функций на значение числа пи (отсюда и название). На самом деле внешнее магнитное поле при работе кубита нужно ровно для этого же. Поэтому, в теории, такие пи-контакты с большим значением критического тока ― тока, при котором они теряют свои квантовые свойства, ― могут заменить магнитное поле. Единственное, что надо проверить (это сейчас делается), ― что они не вносят каких-то своих дополнительных шумов, которые приводят к декогерентности кубита.
Тут надо вот что понимать: микросекунда жизни кубита ― это мало только на первый взгляд. На самом деле кубиты при этом живут достаточно долго по сравнению со временем, которое требуется на выполнение одной логической операции. Кроме того, существуют специальные методы, так называемые «методы коррекции ошибок» в квантовых вычислениях. Они были предложены теоретически, и были даже первые эксперименты, которые такие методы уже продемонстрировали, в том числе со сверхпроводниками. Эти методы позволяют фактически корректировать сбои когерентности в квантовой системе.
Для этого необходимо, чтобы система жила хотя бы какое-то количество определенных операций. То есть если мы можем за время без корректировки сделать 10 тысяч операций, то оказывается, что можно принципиально построить схему исправления ошибок, которая позволит такой компьютер использовать уже долговременно. Время же одной операции на наших кубитах составляет несколько десятков наносекунд. Даже десяток наносекунд ― это не трудно реализовать. То есть мы можем успеть выполнить порядка 100 операций даже с нашими скромными значениями. Если подтвердится, что пи-контакты не вносят в цепь дополнительного шума, мы сможем перейти к кубитам другой структуры, которые живут дольше ― например, трансмоны, флаксониумы и другие.
А чем эти кубиты отличаются от того, который есть у вас?
Если не вдаваться в подробности, то это тоже кольца, но в них встроены не только джозефсоновские переходы, но и более сложные элементы. Например, трансмон ― это одна из реализаций кубита, работающего на физике квантования заряда куперовских пар электронов в сверхпроводнике. Трансмон чем-то напоминает бабочку за счет своих больших «крыльев» ― сверхпроводящих электродов размером в доли миллиметра, обеспечивающих достаточную зарядовую энергию и сильную связь с электрическим полем вокруг себя.
Трансмон состоит из двух джозефсоновских переходов, образующих микро-СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»). Обычно СКВИДы используются в качестве сверхчувствительных магнитометров для измерения очень слабых магнитных полей. В СКВИДе волны куперовских пар электронов, пройдя через два джозефсоновских перехода, проявляют интерференцию, похожую на оптическую картину прохождения световых волн через две щели. Амплитуда интерференционного тока зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет в случае трансмона изменять его квантовые уровни энергии. В другой версии кубита, флаксониуме, в кольце встроена целая цепочка СКВИДов.
Так что же можно сделать на основе кубитов такого, чего еще никто не делал?
Есть такая интересная задача, как создание квантовых метаматериалов. Она находится на стыке задач лаборатории, созданной в МИСиС, и лаборатории квантового центра, которая занимается кубитами. Мы с уже упомянутым Валерием Рязановым на самом деле присутствуем и там, и там, это два проекта, которые двигаются параллельно. Вот у них сближение как раз в том, что сверхпроводящие метаматериалы, которые изучаются в МИСиС, могут быть превращены в квантовые, если в качестве элементов использовать кубит. Дело в том, что обычные метаматериалы ― это своего рода массивы резонаторов, собранных в метаатомы с размерами много меньше длины волны подходящего электромагнитного излучения. Свойства материалов при взаимодействии с таким излучением определяются только их внутренней структурой. Сейчас метаматериалы, особенно микроволновые, крайне популярны. Например, с помощью них создаются «плащи-невидимки», скрывающие объекты от того же излучения.
Все эти вещи делались с классическими резонаторами, которые имеют, во-первых, потери, что в сверхпроводниках отсутствует, а во-вторых, совершенно не квантовые. В данном случае мы можем руками сделать фактически метаматериал, состоящий из метаатомов, которые ведут себя как настоящие двухуровневые системы и в состоянии ноль и один. Эти материалы могут оказаться гораздо интереснее обычных метаматериалов, ведь сила взаимодействия кубитов с электромагнитным полем сильнее в разы. Вся наука, которая создана для атомной физики и квантовой оптики, здесь применяется только лишь частично, потому что при очень сильном взаимодействии возникает совершенно другая, новая физика. Такое сильное взаимодействие с метавеществом нужно изучать. Это интересная, совершенно новая фундаментальная деятельность.