Физик: «до мегагрантов по кубитам у нас не было ничего, кроме теории»

На прошлой неделе в Казани прошел форум «Наука будущего», в рамках которого ведущие ученые страны, в том числе и мегагрантники, рассказали о прогрессе в своих областях науки за последние годы, а власти назвали имена новых исследователей, удостоившихся мегагрантов.

Алексей Устинов, заведующий лабораторией сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» и руководитель научной группы в Российском квантовом центре, профессор Технологического института Карлсруэ, и Руслан Юнусов, директор квантового центра, поделились с общественностью мыслями о том, что происходит в мире квантовых технологий и их приложении к практике в России в рамках сессии «Квантовые технологии: трансфер фундаментальной науки на рынок».

— Алексей, как вы считаете, помогли ли программы мегагрантов и прочие инициативы правительства развитию физики в целом и квантовой физики в частности?

— На самом деле, эти программы очень сильно помогли нам. До недавнего времени у нас в стране вообще ничего не делалось по сверхпроводящим кубитам, кроме теории. То, что мы можем теперь изготавливать и измерять в России кубиты, стало реальностью лишь два года назад.

Есть лаборатория Астафьева на Физтехе, где появилась возможность делать кубитные структуры при помощи электронной литографии, для чего понадобился очень дорогой литограф, который стоит несколько миллионов долларов. Одной научной группе или обычному университету такой прибор купить просто не по силам.

Фактически, мы начали работать вместе и вели эксперименты в лаборатории РКЦ в Черноголовке, а кубиты «рисовались» на Физтехе. Сейчас сформировалась еще одна технологическая база в МГТУ имени Баумана — туда пришли серьезные люди из полупроводниковой промышленности и создали хорошую «чистую зону» для изготовления квантовых схем.

То есть, теперь у нас есть не одно, а сразу два места, где мы можем «рисовать» и измерять кубиты. На самом деле, возникла некая критическая масса людей — в РКЦ, на Физтехе, в Новосибирском НГТУ и в НИТУ МИСиС, которые могут делать эксперименты на более системной научно-технической основе.

У нас всех вместе появился проект Фонда перспективных исследований, вместе с Минобром и «Росатомом», по созданию прототипа квантового процессора. У нас запланированы эксперименты с несколькими десятками кубитов, но наша главная цель — создать инструментарий для того, чтобы вести полноценную двухкубитную томографию и реализовать простейший алгоритм. Мы уже делаем эксперименты с большим числом кубитов.

Чтобы выйти на новый уровень и резко снизить цену всех этих разработок, нам потребуется мощнейшая инженерная составляющая, и это будет следующим этапом в нашей работе. А пока мы хотим сделать надежную технологию изготовления кубитов и научиться измерять их не хуже, чем это делается в лучших лабораториях мира.

— Недавно китайские ученые из Хэфэя и их коллеги из университета Калгари в Канаде заявили, что им удалось впервые осуществить телепортацию частиц через городские линии связи на большие расстояния. Расскажите, насколько важно это достижение для развития квантовых технологий в целом и квантовых компьютеров в частности?

— Я полагаю, что подобные публикации действительно нужны, так как они являются демонстрацией того, что мы действительно можем проводить телепортацию подобным образом, и, естественно, телепортация может использоваться и для квантовых коммуникаций, и при сопряжении вычислительных устройств.

Если говорить о создании квантовых систем связи, то телепортация является одной из важных составных частей, важным элементом протоколов для квантовых повторителей, если фотоны передаются на большие расстояния и их состояния нужно сохранять.

Работают они следующим образом: если у нас есть источник запутанных фотонов, испускающих частицы в две противоположные стороны, то мы можем запутать один из них с тем фотоном, который пришел к нам от передатчика. Благодаря этому можно фактически телепортировать состояние частицы, которую мы приняли, на фотон, который будет двигаться дальше в сторону адресата. Эти повторители критически важны для того, чтобы квантовая связь работала на большие расстояния — данная проблема остается не решенной до сих пор, и во всем мире такие проекты сейчас активно развиваются.

Что касается создания квантовых компьютеров, то телепортация в них может потребоваться тогда, когда у нас возникнет необходимость передавать информацию между разными частями квантового процессора. Обычно телепортация осуществляется по оптоволокну при помощи фотонов видимого света, однако ее можно совершить и при передаче информации между сверхпроводниковыми кубитами, используя фотоны микроволнового излучения.

В принципе, первая телепортация на чипе, с применением сверхпроводниковых кубитов, уже была осуществлена около четырех лет назад, моим бывшим учеником Андреасом Валлраффом (Andreas Wallraff), который сейчас является профессором в Высшей технической школе Швейцарии в Цюрихе.

— В последнее время в СМИ часто говорят о скором создании квантового компьютера компанией Google силами группы Джона Мартиниса, сочетающего в себе черты и универсального, и адиабатического квантового компьютера. Насколько такие разработки вообще имеют смысл?

— На самом деле, это самое перспективное направление на сегодняшний день. Наработки компании D-Wave не у всех вызывают доверие. Вдобавок, то, что сделали в D-Wave, не является в полной мере адиабатическим квантовым компьютером, скорее, это компьютер, который работает путем квантового отжига. Это не в полной мере отражает то, что мы ожидаем получить от квантового симулятора, который бы проводил расчеты «естественным» образом.

Группа Мартиниса, с которым я виделся буквально пару недель назад, на самом деле сейчас занята другим — они пытаются реализовать эксперимент, в рамках которого они хотят создать продемонстрировать квантовую систему, поведение которой нельзя просчитать при помощи обычных «земных» компьютеров.

Сейчас их система включает в себя массив из нескольких десятков кубитов, к каждому из которых подведен провод, контролирующий его состояние. С каждым шагом вычислений степень квантовой «перепутанности» кубитов растет, и они достигают состояния, которое нельзя промоделировать при помощи обычных вычислительных устройств.

Такой прибор будет проводить сложные вычисления и проходить тесты, но это не будет по-настоящему универсальным компьютером. Несмотря на это, полезность этой разработки колоссальная — эксперимент Мартиниса продемонстрирует возможность проведения универсальных квантовых вычислений на массиве из 50 кубитов. Это очень много. Иными словами, группа Мартиниса сейчас разрабатывает инженерную базу для будущих квантовых компьютеров, что требует колоссальных инженерных усилий, и чего до сих пор еще не было сделано.

Вот представьте — сейчас для манипуляции одним кубитом мне нужен набор устройств — квантовый усилитель, микроволновый источник, генератор сигнала и ряд других вещей, стоимость которых составляет порядка 200 тысяч долларов. Мартинис и его коллеги поставили перед собой задачу сделать все то же самое, собрав эти вещи, грубо говоря, из простых радиотехнических «кубиков», и доведя стоимость одного канала до нескольких тысяч долларов.

Тогда получится, что на весь компьютер из 50 кубитов потребуется около 250 тысяч долларов, а не астрономические суммы, как сейчас. Все это является сложной инженерной задачей, которую нужно решить для того, чтобы двигаться дальше в сторону более сложных систем. Многие университеты сейчас объявляют конкурсы на поиски людей, которые одновременно понимают квантовую физику и могут делать сложную радиоэлектронику, а их очень мало.

Джон (Мартинис) один из таких людей, но сейчас нужен не один человек, а армия таких специалистов. Без этого дальнейший прогресс будет невозможен.