Из чего состоят квантовые компьютеры: кубиты, экранирование, криогенные установки

В прошлой статье о квантовых компьютерах мы познакомили вас с QPU-системами: объяснили их суть, сферы применения и привели примеры таких систем. Но главная интрига — не то, что они из себя представляют, а из чего они состоят. В этой статье мы углубимся в архитектуру квантовых компьютеров, детально разберем понятие и природу кубитов, а также расскажем о дополнительных системах, которые сопутствуют при развертывании квантовых компьютеров.

Корни индустрии квантовых вычислений уходят в начало XX века (1900–1927 годы), когда физики Макс Планк и Альберт Эйнштейн заложили основы квантовой механики и ввели идею дискретной природы энергии и волново-корпускулярного дуализма — по сути, открыли явления суперпозиции и квантовой запутанности частиц. Однако в тот момент как-либо реализовать принципы квантовой физики на практике у науки не было никакой возможности по причине отсутствия даже традиционных вычислительных систем. Лишь в 1980 годах физик Ричард Фейнман выдвинул смелую гипотезу: для точного моделирования квантовых систем нужны вычислительные машины, работающие на тех же принципах. Спустя пять лет, в 1985 году известный физик Дэвид Дойч еще больше укрепил теоретический фундамент, заложенный Планком и Эйнштейном, впервые описав алгоритм работы универсального квантового компьютера. 

Долгожданное событие произошло спустя 13 лет — в 1998 году команда Оксфордского Университета совершила настоящий прорыв, представив первый в мире 2-кубитный прототип квантового компьютера, работающего на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и способного выполнять тот самый алгоритм Дойча. Эта система дала старт гонке в мире квантовых вычислений и множество передовых IT-компаний начали создавать собственные квантовые вычислительные машины, постоянно совершенствуя их производительность и увеличивая количество как физических кубитов в QPU, так и логических кубитов во всей системе. Уже к 2000 годам в сфере квантовых компьютеров выделились два лидера в лице IBM и Google, которые уже в то время перешли от принципов ЯРМ к использованию сверхпроводящих кубитов. В 2019 году компания Google достигла “квантового превосходства”, представив 53-кубитный квантовый процессор Sycamore, способный за 200 секунд задачу, для выполнения которой традиционному суперкомпьютеру потребовались бы тысячелетия. В наши дни системы вроде IBM Quantum System Two с сотнями кубитов и криогенной инфраструктурой демонстрируют, как абстрактные идеи 1920-х годов превратились в физические, эффективные системы, которые перестраивают индустрию вычислений на свой лад и задавая тренд будущей IT-индустрии.

Кубит — это единица хранения квантовой информации, которая имеет физическое воплощение в виде квантовой точки: атома, сверхпроводника или даже частицы света (фотона). В то время как обычный бит может быть строго нулем или единицей, кубит существует в особом состоянии, называемом суперпозицией. Это означает, что кубит одновременно содержит в себе информацию как о нуле, так и о единице, с определенной склонностью к одному из этих состояний. Но само по себе явление суперпозиции не имеет практического смысла без объединения кубитов в единую систему, что возможно благодаря состоянию квантовой запутанности. С помощью квантовой запутанности, кубиты могут связываться друг с другом, получая возможность комбинировать свои значения, например, два связанных кубита могут одновременно быть 00, 01, 10, 11, а при масштабировании их количества эти значения будут увеличиваться по экспоненте. Если провести аналогию с традиционными вычислительными системами, то кубиты в квантовом компьютере буквально играют роль ядер, обеспечивая возможность масштабирования вычислительных возможностей системы. Но при этом квантовые компьютеры благодаря совокупности явлений суперпозиции и запутанности способны всего за одну операцию обрабатывать бесчисленное множество решений, ускоряя выполнение задач в миллионы раз.

Кубиты могут иметь как физическое, так и логическое воплощение. Логические кубиты — это термин, обозначающий совокупность физических кубитов, обеспечивающих защиту от ошибок в вычислениях. Чем больше физических кубитов находится в квантовом компьютере, тем меньше вероятность возникновения ошибок и, соответственно, больше количество логических кубитов. Другими словами, логические кубиты являются аналогом показателя производительности квантовых компьютеров.

Поскольку для появления физических кубитов подходит любая квантовая частица, реализация физических кубитов может быть разной, каждая из которых наделена рядом уникальных особенностей. Рассмотрим несколько наиболее распространенных вариаций физических кубитов:

• Сверхпроводящие кубиты: Микроскопические цепи из сверхпроводящих материалов (например, ниобия), охлаждаемые до милликельвинов. Управляются микроволновыми импульсами. Сверхпроводящие кубиты имеют высокую скорость операций, большой потенциал масштабирования с использованием технологий, схожих с масштабированием традиционных вычислительных систем. Эти факторы и стали причиной того, что сверхпроводящие кубиты являются наиболее распространенными при построении современных квантовых компьютеров, например, IBM и Google. Однако, у сверхпроводящих кубитов есть значительные недостатки — необходимость экстремального охлаждения, а также чувствительность к электромагнитным шумам.
• Изолированные ионы: Отдельные ионы (например, Yb+ или Ca+), удерживаемые в вакуумных ловушках с электромагнитными полями (ловушки Пола). Управляются лазерными импульсами. Изолированные ионы отличаются очень долгим временем когерентности (T1, T2), но они имеют медленную скорость выполнения операций и их сложно масштабировать для увеличения количества логических кубитов.
• Нейтральные атомы: Атомы (например, рубидия), фиксируемые в фотонных ловушках (лазерные "пинцеты"). Управление происходит за счет — лазерных импульсов. Благодаря хорошей изоляции от внешней среды, нейтральные атомы меньше подвержены помехам, а также имеют большой потенциал для масштабирования за счет формирования регулярных решеток атомов. Но ограничения накладывают сложность индивидуального контроля каждого атома в решетке, из-за чего такие типы кубитов практически не используются.
• Фотонные кубиты: Информация фотонных кубитов кодируется в квантовых состояниях одиночных фотонов (часто за счет поляризации). Вычисления выполняются с помощью оптических элементов (зеркала, светоделители). Уникальность фотонных кубитов обуславливается возможностью работы при комнатной температуре, при этом они способны эффективно масштабироваться. Тем не менее, фотонные кубиты сложны в создании и управлении, при этом из-за их физических свойств они не так эффективны при вводе в состоянии квантовой запутанности.
• Спиновые кубиты в твердом теле: Уникальный тип кубитов, основанный на феномене спинов (движений) электрона или ядра в полупроводниковых структурах (кремниевые квантовые точки, NV-центры в алмазе). Управляются микроволнами или лазерами. Спиновые кубиты можно интегрировать в традиционные вычислительные системы и реализовывать в рамках кремниевых устройств, что снижает стоимость производства QPU с их использованием. Тем не менее, на данном этапе существуют технические сложности контроля спиновых кубитов и считывания отдельных спинов, однако в будущем спиновые кубиты могут стать основой для создания передовых квантовых суперкомпьютеров.

Для большинства типов QPU и кубитов, особенно сверхпроводящих и спиновых, поддержание температур, близких к абсолютному нулю (-273.15°C или 0 Кельвин), является критическим условием их работы. Тепловые колебания разрушают хрупкое квантовое состояние и вызывают декогеренцию. Достижение таких экстремально низких температур — это непростая задача, которая требует использования специальных криогенных установок. Обычно криогенные установки для квантовых компьютеров делятся на пять основных видов.

• Криогенные холодильники. Основной стандарт для достижения милликельвиновых температур (ниже 10 мК). Подобные системы используют фазовый переход в смеси изотопов гелия He-3/He-4 для поглощения огромного количества тепла, выделяемого QPU. При этом, криогенные холодильники требуют постоянной прокачки смеси и реализуются в виде сложной многоступенчатой конструкции.
• Криостаты с жидким гелием. Криостаты такого типа используют супержидкий гелий (He-4) с температурой примерно 4,2 Кельвина или ниже, обеспечивая стабильную низкотемпературную среду. Криостаты с жидким гелием часто служат предварительной ступенью для криогенных холодильников, так как требуют регулярной дозаправки дорогостоящим гелием.
• Замкнутые/сухие криокулеры. Машины с замкнутым циклом перегонки гелия, сжимающие и расширяющие газообразный гелий для достижения температур около 3-4 Кельвинов без необходимости использования жидкого гелия. Подобные криогенные установки постепенно становятся стандартом для "сухих" систем охлаждения. Они менее эффективны для прямого выхода на температуры уровня милликельвинов, но часто используются для охлаждения первой ступени криогенных холодильников.
• Адиабатическое размагничивание. Необычный стандарт криогенных систем, который использует магнитокалорический эффект в парамагнитных солях или специальных материалах, чтобы достичь ультранизких температур (ниже 50 мК). Адиабатическое размагничивание обычно применяется как дополнительная, финальная ступень охлаждения внутри криогенных холодильников для особо чувствительных или специфичных кубитов.
• Криостаты с жидким азотом. В отличие от охлаждения гелием, криостаты с жидким азотом могут охлаждать QPU лишь до уровня около 77 Кельвинов, поэтому их использование ограничено лишь начальным или даже предварительным охлаждением в многоступенчатых системах для снижения тепловой нагрузки на более дорогие гелиевые ступени. Относительно просты в развертывании и дешевы в обслуживании.

Кубиты невероятно чувствительны к любым внешним воздействиям, которые могут моментально разрушить их квантовое состояние. Из-за этого квантовые процессоры нуждаются в многослойной защите, представленной в виде систем экранирования. Вот какие виды систем экранирования используются в квантовых компьютерах.

• Магнитное экранирование. Даже слабое магнитное поле Земли может вносить ошибки в квантовые вычисления. Чтобы исключить его воздействие, используются экраны из специальных сплавов с высокой магнитной проницаемостью (например, мю-металл), часто в виде нескольких слоев, уложенных друг за другом.
• Радиочастотное/микроволновое экранирование. Электромагнитные шумы от Wi-Fi, радио, мобильных сетей и даже внутренней электроники не менее вредны, чем магнитные поля. Подавление этих шумов происходит с помощью помещения криокамеры с QPU внутрь экранированной комнаты (клетки Фарадея), а все входящие в него электрические линии проходят через специальные фильтры, подавляющие шум на частотах работы кубитов.
• Вибрационная изоляция. Механические вибрации (от зданий, уличного движения и даже людей) минимизируются с помощью активных (датчики и компенсирующие приводы) и пассивных (массивные фундаменты, пневмоопоры) систем виброизоляции.
• Радиационная защита. Постоянное космическое излучение и естественный радиационный фон Земли могут вызывать внезапные сбои в работе QPU. Защита включает использование толстых слоев специальных радиопоглощающих материалов (например, свинца, полиэтилена с бором) вокруг чувствительной зоны квантового процессора, что усложняет и утяжеляет конструкцию, но обеспечивает высочайшую защиту от радиации. 

Примечательно, что архитектура квантовых процессоров сложна практически также, как архитектура самих квантовых компьютеров. Квантовый процессор представляет собой многоуровневую физическую систему, ядром которой служит квантовое вычислительное ядро. Это ядро состоит из массива индивидуальных кубитов, расположенных на специальной подложке (чаще всего сапфировой или кремниевой). Кубиты на подложке расположены не вплотную друг к другу, а в виде шахматной доски, линейной цепи или решетки — вид расположения кубитов определяется их типом, либо топологией их связи. Это касается логических кубитов, а физические кубиты размещаются совсем иначе — они соединены между собой через структуры взаимодействия. Для сверхпроводящих кубитов это сверхпроводящие резонаторы и джозефсоновские контакты, формирующие управляемые микроволновые связи. В ионных ловушках роль связующего элемента играют общие колебательные моды ионов в электромагнитном поле, а в фотонных схемах – интегрированные оптические волноводы. Все эти связи позволяют выполнять двухкубитные операции — основу квантовой логики. Такая структура сложна сама по себе, но масштабирование плотности размещения кубитов также ограничивается “темным пространством” — физическими зазорами, необходимыми для минимизации перекрестных помех и размещения навесных компонентов. 

Системы управления кубитов интегрируются непосредственно в структуру процессора. Каждый кубит имеет выделенные линии для подачи управляющих сигналов (микроволновых или лазерных импульсов) и считывания состояния. Эти линии пронизывают всю систему, начиная от криогенных систем (где размещены первые усилители и мультиплексоры) до интегрированных традиционных вычислительных систем. Для связи QPU и традиционных вычислительных систем, используются специальные гибридные интерфейсы со специализированными контроллерами. Они способны работать при комнатной температуре и нужны для преобразования алгоритмических инструкций в последовательности точно синхронизированных импульсов, передаваемых по экранированным линиям в криостат. Обратно поступают аналоговые сигналы считывания, усиленные криогенными параметрическими усилителями и оцифрованные классической электроникой для статистического анализа.

Глядя на столь сложную архитектуру квантовых компьютеров, неудивительно, что эти системы способны выполнять операции, на которые у традиционных компьютеров уходили бы миллионы лет. Однако такая многоступенчатая структура накладывает огромные сложности при обеспечении доступности квантовых вычислений. Если когда-нибудь ученые добьются упрощения квантовых систем и снижения их себестоимости, не исключено, что QPU все же смогут перекочевать как минимум в сектор коммерческих вычислений, ознаменовав революцию в секторе IT.