Кубит
В отличие от обычного бита, способного иметь только значения 1 и 0, квантовый бит (кубит) может находиться в суперпозиции этих состояний, то есть одновременно в значении 1 и 0. На практике кубит может существовать в самых разных комбинациях этих значений, что в перспективе позволит создавать сверхбыстродействующие компьютеры.
Содержание |
Кубиты станут строительными элементами будущих квантовых компьютеров, способных решать задачи, практически недоступные классическим цифровым компьютерам. Для выполнения вычислений на квантовом компьютере необходимо привести во взаимодействие несколько кубитов, причем таким образом, чтобы они образовали единую квантовую систему. Затем этой системе надо позволить развиваться по законам квантовой механики и спустя определенное время выяснить, в какое состояние она пришла.
С ростом числа объединенных кубитов, вычислительная мощность такой квантовой системы экспоненциально растет. Теоретически это позволяет квантовому компьютеру справляться с задачами, на которые обычному цифровому компьютеру понадобятся миллионы лет. Например, давно известен так называемый алгоритм Шора, позволяющий быстро раскладывать большие числа на простые множители (задача, необходимая для взлома современных шифров). Обычные компьютеры решают эту задачу перебором возможных делителей, поэтому длинные числа современные компьютеры могут обрабатывать годами. Квантовый компьютер справился бы с такой задачей за считанные минуты и даже секунды, в зависимости от производительности.
Российские исследования
2023
*Разработан метод реализации быстрой двухкубитной операции на сверхпроводниковых кубитах-флаксониумах
Российские ученые Университета МИСИС и Российского квантового центра (РКЦ) совместно с коллегами из МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» предложили и продемонстрировали метод реализации быстрой двухкубитной операции на сверхпроводниковых кубитах-флаксониумах, которая может лечь в основу масштабируемых и устойчивых к ошибкам квантовых процессоров. Таким образом, российские ученые стали еще на шаг ближе к созданию универсального квантового компьютера, способного решать задачи в различных областях, например для моделирования молекулярных и химических реакций, что станет залогом дальнейшего развития фармацевтики и материаловедения. Такой информацией с порталом TAdviser 27 ноября 2023 года поделились представители МИСИС.
Операция управляемого Z вращения или CZ — базовая операция в квантовых вычислениях, выполняемая между двумя наименьшими носителями квантовой информации — кубитами. Такая операция изменяет состояние одного кубита в зависимости от состояния второго так, что их состояния запутываются. Именно возможность оперировать такими запутанными состояниями позволяет говорить о квантовых процессорах как о революционных устройствах, которые значительно ускорят обработку данных и решение сложных задач, пояснили исследователи.
Главным вызовом при создании универсальных квантовых вычислителей является создание долгоживущих кубитов с высокой точностью операций. Флаксониумы — разновидность сверхпроводниковых кубитов со сложной энергетической структурой — с каждым годом становятся все более привлекательными для ученых благодаря высокой продолжительности жизни и точности работы по сравнению с другими типами кубитов, например, трансмонами. Однако достижение высокой точности двухкубитных запутывающих операций на флаксониумах при эффективном подавлении паразитных взаимодействий, `портящих` квантовое состояние, все еще остается сложной задачей.
В своем исследовании ученые Университета МИСИС, Российского квантового центра, МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» предложили собственный подход к выполнению операций CZ на кубитах-флаксониумах, связанных через еще один кубит (связующий элемент), однокубитная операция на котором позволяет эффективно получить двухкубитный гейт, преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определённому закону. Точность работы составила 97,6%, а продолжительность операции — всего 44 нс.Догнать и перегнать: Российские ВКС прирастают новыми функциями 
Как уточнил инженер лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС, младший научный сотрудник группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» РКЦ Илья Симаков, для универсальной двухкубитной операции необходимо короткое время выполнения, отсутствие промежуточных состояний с плохой когерентностью, низкий уровень остаточного взаимодействия, когда связь не активирована, и простая процедура калибровки последовательности управляющих сигналов.
 | «В данном случае мы объединяем архитектуру, в которой кубиты связаны друг с другом через дополнительную степень свободы (связующие элементы), с активацией гейта СВЧ-сигналом, что позволяет сохранять кубиты в точке с высокой когерентностью в продолжение всей операции», — добавил Илья Симаков. |  |
В свою очередь, Илья Родионов, директор НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», поделился, что высокой когерентности кубитов, как и проведению логических операций, включая CZ-гейты, может помешать даже дефект атомарного масштаба. Тем более, когда речь идет о флаксониумах – сложнейших в изготовлении кубитах, содержащих цепочку суб-микрометровых Джозефсоновских переходов.
| | «Мы разработали технологию создания сверхпроводниковых схем на базе кубитов-флаксониумов из более сотни технологических операций, обеспечивающую высокое качество квантовых элементов и их повторяемость, а, значит, возможность дальнейшего масштабирования на пути к универсальному вычислителю», – уточнил Илья Родионов. | |
При создании сверхпроводникового квантового процессора исследователи отошли от концепции прямого соединения кубитов и предложили более подходящий для масштабирования подход, основанный на использовании специальных соединительных элементов. Это позволило улучшить работу системы и использовать более совершенные подходы к выполнению квантовых операций.
Как было неоднократно отмечено, флаксониумы, благодаря высокой когерентности (способности преобразовывать квантовые состояния) и значительной ангармоничности (нелинейности), могут стать ключом к усовершенствованию сверхпроводниковых квантовых схем и в перспективе заменить широко используемые трансмоны. Исследователи уже начали работу над масштабированием предложенного подхода, а также разрабатывают концепцию выполнения трехкубитной операции на флаксониумах с использованием одного соединительного элемента.
Результаты исследования были опубликованы в одном из ведущих научных журналов PRX Quantum (Q1).
Атомы могут использоваться в качестве кубитов в квантовом компьютере
Физики из МФТИ совместно с коллегами из Франции экспериментально показали, что атомы примесей в полупроводниках могут формировать долгоживущие устойчивые квантовые состояния. Значит, эти атомы можно использовать в качестве кубитов в квантовом компьютере. Работа опубликована в журнале Communication Physics. Об этом 24 июля 2023 года сообщили представители МФТИ.
Как сообщалось, кубит — единица информации в квантовом компьютере, он отличается от обычного бита тем, что может принимать любое значение между 0 и 1 в процессе вычислений. Этот эффект возникает из-за принципа суперпозиции в квантовой механике. Благодаря суперпозиции кубит в процессе вычислений находится во всех состояниях сразу и поэтому помогает обработать гораздо больше информации, чем классический бит. В роли кубита могут выступать различные квантовые системы: сверхпроводящие искусственные атомы, квантовые точки, атомы в ловушках, реальные атомы в твердом теле и т. д. Однако слабым местом всех существующих кубитов является неустойчивость к шумам. Например, небольшое колебание температуры или магнитного поля могут нарушить квантовое состояние кубита, и он окажется непригоден к вычислениям. Эта проблема разрушения квантового состояния называется декогеренцией и является одной из главных фундаментальных причин, по которой квантовые компьютеры пока не имеют широкого применения. Ученые ищут физические системы, в которых можно реализовать кубиты, более устойчивые к шумам.
Например, если в некоторые полупроводники добавить примеси, электроны примесных атомов будут долго (по квантовым меркам это несколько наносекунд) сохранять направление спина — собственного магнитного момента. Благодаря длительному времени когеренции спина такие атомные системы можно использовать в качестве кубитов. Физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ исследуют подобные структуры и подбирают оптимальные материалы для них.
В работе ученые центра заменили часть атомов теллура в дихалькогениде молибден теллур (2H-MoTe2) на атомы брома и с помощью электронного пармагнитного резонанса и туннельной сканирующей микроскопии исследовали структуру электронов примесного атома и оценили время когерентности системы.
| | Если отдельный инородный атом, помещенный в монокристалл, приводит к локализации спинполяризованного состояния, то он может стать кубитом. В дихалькогенидах переходных металлов сильное спин-орбитальное взаимодействие как раз создает такие условия. Вопрос только в том, как работать с такими кубитами, ведь это самый, что ни на есть атомарный масштаб, порядка 0,3 нм. Мы в наших исследованиях добавили примеси брома в полупроводник молибден теллур. Эта примесь имеет энергетическое положение внутри запрещенной зоны материала, то есть ее электроны локализованы. В работе мы показываем, что квантовые свойства этих примесей можно изучать, для этого применялась методика измерения электронного спинового резонанса и низкотемпературная сканирующая туннельная спектроскопия. Мы показали, что в данных атомах существуют унаследованные от материала локализованные спин-долинные состояния с наносекундными временами когерентности спинов. рассказал Василий Столяров, директор центра, руководитель лаборатории сверхпроводящих и квантовых технологий, доктор физико-математических наук | |
Для понимания эффектов, которые изучали физики, нужно обратиться к электронной структуре вещества. Электроны каждого атома, согласно квантовой механике, имеют определенную энергию — находятся на энергетическом уровне. В кристаллах электроны могут переходить от одного атома к другому, их энергетический спектр становится практически сплошным, без разделения на уровни. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать. Но, если добавить примесный атом в полупроводник, электронам этого атома станут доступны уровни у верхнего или нижнего края запрещенной зоны. Получается, такое укромное место, где можно долго удерживать электрон — отличная площадка для кубита. Стоит отметить, что это возможно при температурах ниже 250 градусов Цельсия.
Важно правильно выбрать полупроводник и примесь, чтобы локализовать электроны. Поэтому физики обратили внимание на дихалькогениды переходных металлов — слоистые двумерные полупроводники, состоящие из атома переходного металла (здесь молибдена) и халькогена (здесь теллура). В кристаллах дихалькогенидов из-за симметрии (атомы располагаются в форме шестиугольника) самые выгодные энергетические состояния для электронов находятся в определенных областях пространства — долинах — вокруг атомов. Более того, электроны способны в них некоторое время сохранять проекцию спина — собственного магнитного момента. Однако такие времена слишком малы для когерентности кубита.
По этой причине исследователи заместили атомы теллура на атомы брома, «открыв» для электронов дополнительные уровни вблизи нижнего края запрещенной зоны. В этом случае возникало связанное состояние электронов и долин, и проекция спина на этих уровнях сохранялась в течение нескольких наносекунд, что достаточно для создания кубита.
Для изучения столь тонких эффектов ученые использовали несколько высокоточных приборов. Сначала они получили электронную структуру примеси брома с помощью электронного парамагнитного резонанса — расщепления энергетических уровней во внешнем магнитном поле — и оценили по этим данным время когерентности спинового состояния. Оно составило порядка 5 наносекунд при температурах ниже –258 градусов Цельсия (15 кельвинов).
Затем применили сканирующий туннельный микроскоп — устройство, определяющее рельеф поверхности с точностью до атома. На иглу микроскопа подавалось напряжение, и электроны с поверхности туннелировали на иглу, создавая ток. По изменению значения тока физики получали пространственную локализацию электронов и их энергию. Эти измерения подтвердили, что состояния электронов брома локализуются вблизи долин, а их энергия меняется. Именно связь долин и примеси обеспечивала длительное время когерентности. Физики предполагают, что его можно увеличить, если взять однослойный кристалл дихалькогенида. Аналогичные экспериментальным данным исследователи получили с помощью компьютерного моделирования.
Таким образом, ученые показали возможность использования реальных атомов в качестве кубитов и теоретически объяснили длительное время когерентности, построив электронную структуру материала.
| | Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом аля-кубит. Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние. Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник
высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное. И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси. подвел итоги Василий Столяров | |
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».
В исследовании, кроме сотрудников Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, принимали участие их коллеги из Университета Париж-Сакле и Университета Сорбонна (Франция), МИСиС, Всероссийского НИИ автоматики имени Н. Л. Духова, Института физики металлов им. М. Н. Михеева (Екатеринбург), Института физики ионных пучков и исследования материалов (Германия) и Университета Аалто (Финляндия).
Российские ученые повысили производительность квантовых процессоров с помощью кудитов
Ученые НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили подход к реализации квантовых алгоритмов с использованием дополнительных уровней квантовой системы, который позволил на порядок повысить итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов. Об этом 7 апреля 2023 года TAdviser сообщили представители НИТУ МИСиС.
По словам ученых, основной способ повышения производительности квантовых процессоров — увеличение числа их кубитов — наименьшей единицы информации в квантовом компьютере. Однако ионы или атомы, которые часто выступают в роли кубитов, имеют больше двух уровней и могут работать не только как кубиты, но и как кудиты, которые являются расширенной версией кубита и могут находиться в трех (кутриты), четырех (кукварты), пяти (куквинты) и более состояниях.
Дополнительные состояния позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях, что, в свою очередь, дает возможность реализовывать все более сложные и комплексные квантовые алгоритмы. Таким образом возрастает мощность квантового процессора, и операции могут производиться значительно быстрее, пояснили исследователи.
По состоянию на апрель 2023 года, большая часть исследований, посвященных квантовым операциям, сосредоточена на кубитах — все операции, которые применяются к квантовой системе, представляются в виде одно- и двухкубитных квантовых вентилей, преобразующих входные состояния кубитов в выходные по определенному закону. Для работы с кудитами важно найти новые подходы с математической точки зрения.
Ученые Университета МИСиС и Российского квантового центра рассмотрели один из способов использования куквинтов – 5-уровневых кудитов – и представили модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли. В качестве примера рассмотрен квантовый алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных. Известно, что, используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор.
| | «Куквинты хороши тем, что их пространство можно рассматривать как пространство двух кубитов с общим дополнительным уровнем. Такое рассмотрение помогает одновременно и сократить число физических носителей информации, и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей, или как их еще называют – гейтов – сложных логических операций с кубитами. Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить число двухчастичных гейтов, т.е. задействующих две физические системы», — рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСиС Алексей Федоров. | |
В качестве раскладываемого многокубитного гейта ученые выбрали часто встречающийся в квантовых алгоритмах многокубитный гейт Тоффоли – обобщенную на n кубитов версию универсального контролируемого обратимого вентиля. Его применение инвертирует состояние n-го кубита, если все остальные n-1 кубитов находятся в состоянии 1. Как отметили исследователи, располагая в каждом куквинте по два кубита и используя пятый уровень в качестве вспомогательного, можно значительно сократить число двухчастичных гейтов в его разложении по сравнению с расположениями на кубитах и таким образом повысить качество выполнения квантовых алгоритмов.
| | «Сокращение числа двухчастичных гейтов мы демонстрируем на примере алгоритма Гровера, решающего задачу перебора. Для демонстрации процессов был выбран именно этот алгоритм, так как для его выполнения необходимо неоднократно реализовать многокубитные гейты. Мы сравнили три способа декомпозиции многокубитных вентилей в рамках выполнения данного алгоритма на 2-10 кубитах, когда в качестве носителей информации используются кубиты, кутриты и куквинты, и продемонстрировали, как сокращается число двухчастичных гейтов», — пояснила эксперт научного проекта НИТУ МИСиС, научный сотрудник РКЦ Анастасия Николаева. | |
По сравнению с кубитами, реализация на куквинтах при большом числе (>5) задействованных в алгоритме кубитов требует на порядок меньше двухчастичных гейтов, отметили ученые. Например, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88.
В целом проведенное исследование продемонстрировало одно из преимуществ использования кудитов для квантовых вычислений и помогло по-новому взглянуть на их потенциал, подчеркнули в НИТУ МИСиС и РКЦ. Полученные учеными результаты применимы к квантовым процессорам, основанным на различных физических платформах, таких как ионы, нейтральные атомы, сверхпроводящие цепи и другие.
Исследование выполнено научными сотрудниками НИТУ МИСиС и РКЦ при поддержке гранта РНФ 19-71-10091. Статья опубликована в научном журнале Entropy.
2022: Российские ученые испытали сверхпроводящие низкочастотные кубиты
Российские физики лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Университета МИСИС и МГТУ им. Н.Э. Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты — альтернативу популярным трансмонам. Особенность флаксониумов состоит в более продолжительном жизненном цикле и большей точности операций, что дает возможность выполнять более длинные алгоритмы. Об этом TAdviser 15 ноября 2022 года сообщили представители Университета МИСИС.
Как известно, одна из основных проблем разработки универсального квантового вычислителя заключается в кубитах, а именно – из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров: электронов, фотонов, ионов, сверхпроводников или других кандидатов в «квантовые транзисторы». За последние десять лет сверхпроводниковые кубиты получили огромный толчок в развитии. При этом самыми коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами по состоянию на 2022 год являются трансмоны, которые активно исследуются и используются в квантовых разработках Google, IBM и других мировых лабораторий, рассказали в НИТУ МИСИС.
По словам ученых, главная задача кубита – целостно хранить и обрабатывать информацию. Случайный шум и даже просто наблюдение способны привести к потере или изменению данных. Для устойчивой работы сверхпроводниковых кубитов часто необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды – близкая к нулю Кельвин, что в сотни раз холоднее температуры открытого космоса.
В ходе испытаний для защиты кубитов от шума исследователи добавили в цепь супериндуктор — сверхпроводниковый элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току, который представляет собой цепочку из 40 джозефсоновских контактов — структур из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика.
| | «Флаксониевые кубиты сложнее и менее изучены, в сравнении с трансмонами. Основной плюс флаксониумов заключается в том, что с ними можно работать на низкой частоте — порядка 600МГц. Известно, что чем меньше частота, тем больше время жизни кубитов, а значит больше операций с ними можно выполнить. В ходе испытаний оказалось, что диэлектрические потери флаксониевых кубитов позволяют держать состояние суперпозиции дольше, чем у трансмонов», — рассказал Илья Беседин, один из авторов исследования, инженер научного проекта лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС. | |
В качестве элемента, преобразующего входные состояния кубитов на выходные, ученые использовали высокоточные двухкубитные вентили fSim и CZ. А для того, чтобы привести кубиты в резонанс друг с другом применялась параметрическая модуляция потока одного из кубитов системы. Как отметили авторы исследования, благодаря перестраиваемому элементу связи одновременно удалось не только получить точность двухкубитных операций выше 99,22%, но и подавить остаточное ZZ-взаимодействие между кубитами, что позволило выполнять параллельные однокубитные операции с точностью 99,97%.
| | «Низкая частота вычислительных кубитов открывает путь не только к более долгому времени жизни кубитов и точности вентильных операций, что, соответственно, позволит выполнять более длинные алгоритмы, но также дает возможность использовать субгигагерцовую электронику в линиях управления кубитами, а это значительно уменьшает сложность системы управления квантовым процессором», – подчеркнул Илья Беседин. | |
В целом, по мнению ученых, полученные результаты открывают многообещающий подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям с низкочастотными кубитами, которые благодаря своим улучшенным когерентным свойствам могут стать конкурентоспособной альтернативой широко используемым сверхпроводниковым процессорам на кубитах-трансмонах.
В дальнейшем планируется продолжать исследования с вычислениями на базе кубитов-флаксониумов, а именно: оптимизировать систему управления кубитами, улучшить показатели считывания и приступить к разработке многокубитных систем на их основе.
Статья об исследовании, которое приближает создание квантового компьютера к реальности, опубликована в npj Quantum Information – Nature.
2013: В России измерили состояние кубита
В июне 2013 года стало известно, что специалисты университетской лаборатории МИСиС в сотрудничестве с Российским квантовым центром (РКЦ) первыми в России измерили состояние кубита. Команда исследователей под руководством члена научного совета РКЦ профессора Алексея Устинова провела эксперимент по измерению состояния сверхпроводящего кубита. Ученым удалось наблюдать периодически изменяющийся сигнал кубита, а также измерить его резонансную частоту.
Сверхпроводящие кубиты представляют собой колечки сверхпроводника диаметром несколько микрон. В некоторых местах колечек есть разрывы нанометровых размеров - их называют джозефсоновскими переходами. Сверхпроводящие колечки охлаждают до очень низкой температуры с помощью смеси жидких гелия-3 и гелия-4 и помещают в сверхточно настроенное слабое магнитное поле. В результате они приобретают квантовые свойства, сходные со свойствами атомарных спинов.
Российские ученые смогли создать экспериментальный чип с 7-ю сверхпроводящими кубитами, помещенными в микроволновые резонаторы. Взаимодействие со сверхпроводящим кубитом влияет на спектр микроволнового излучения, что позволяет судить о текущем состоянии кубита, не нарушая это состояние, то есть обойти проблему декогеренции. Самый стабильный из 7 кубитов подвергался измерениям в МИСиС.
Смотрите также
