Введение
Реализация квантовых вычислений
Сверхпроводящие квантовые вычисления — это раздел твердотельных квантовых вычислений, который реализует сверхпроводящие электронные схемы, используя сверхпроводящие кубиты в качестве искусственных атомов или квантовых точек. Для сверхпроводящих кубитов два логических состояния — это основное и возбужденное состояния, обозначаемые соответственно. IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti и Intel. Многие недавно разработанные КПУ (квантовые процессоры или квантовые чипы) используют сверхпроводящую архитектуру. По состоянию на 2016 год продемонстрированы до 9 полностью управляемых кубитов в одномерном массиве и до 16 — в двухмерном.
Superconducting quantum computing is a branch of solid state quantum computing that implements superconducting electronic circuits using superconducting qubits as artificial atoms, or quantum dots. For superconducting qubits, the two logic states are the ground state and the excited state, denoted respectively. IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti, and Intel. Many recently developed QPUs (quantum processing units, or quantum chips) use superconducting architecture. as of 2016, up to 9 fully controllable qubits are demonstrated in the 1D array, and up to 16 in 2D architecture.
Предыстория
Классические вычислительные модели основаны на физических реализациях, соответствующих законам классической механики. Классические описания точны лишь для определенных систем, состоящих из относительно большого числа атомов. Более общее описание природы дает квантовая механика. Квантовые вычисления изучают применение квантовых явлений, выходящее за рамки классических приближений, с целью осуществления квантовой обработки информации и связи. Существуют различные модели квантовых вычислений, но наиболее популярные используют концепции кубитов и квантовых вентилей (или сверхпроводящие квантовые вычисления на основе вентилей). Сверхпроводники используются благодаря тому, что при низких температурах они обладают бесконечной проводимостью и нулевым сопротивлением. Каждый кубит строится с использованием полупроводниковых схем, включающих LC-контур: конденсатор и индуктор. Сверхпроводящие конденсаторы и индукторы применяются для создания резонансного контура, который практически не рассеивает энергию, поскольку тепло может нарушать квантовую информацию. Сверхпроводящие резонансные контуры представляют собой класс искусственных атомов, которые могут использоваться в качестве кубитов. Теоретические и физические реализации квантовых схем существенно различаются. Реализация квантовой схемы сопряжена с рядом проблем и должна соответствовать критериям Ди Винченцо – условиям, предложенным теоретическим физиком Дэвидом П. Ди Винченцо, которые представляют собой набор требований к физической реализации сверхпроводящих квантовых вычислений. Первоначальные пять критериев гарантируют соответствие квантового компьютера постулатам квантовой механики, а остальные два касаются передачи этой информации по сети. Мы сопоставляем основное и возбужденное состояния этих атомов состояниям 0 и 1, поскольку это дискретные и различные энергетические значения, что соответствует постулатам квантовой механики. Однако в такой конструкции электрон может переходить в другие энергетические состояния, помимо возбужденного; поэтому необходимо ограничить систему воздействием только фотонов с энергетической разницей, необходимой для перехода из основного состояния в возбужденное. Однако это порождает одну существенную проблему: для предотвращения переходов между соседними энергетическими уровнями под действием фотонов с одинаковой энергией требуется неравномерное распределение энергетических уровней. Джозефсоновские переходы – это сверхпроводящие элементы с нелинейной индуктивностью, имеющие решающее значение для реализации кубитов. Пары Купера слабо связаны и обладают энергетическим состоянием ниже энергии Ферми. Электроны, образующие пары Купера, имеют равные по величине и противоположные по направлению импульс и спин, в результате чего общий спин пары Купера является целым числом. Следовательно, пары Купера являются бозонами. Два таких сверхпроводника, используемых в сверхпроводящих моделях кубитов, – это ниобий и тантал, оба d-диапазонные сверхпроводники.
Конденсаты Бозе-Эйнштейна
После охлаждения до почти абсолютного нуля, совокупность бозонов переходит в своё самое низкое энергетическое квантовое состояние (основное состояние), формируя состояние материи, известное как конденсат Бозе — Эйнштейна. В отличие от фермионов, бозоны могут занимать один и тот же квантовый энергетический уровень (или квантовое состояние) и не подчиняются принципу исключения Паули. Классически конденсат Бозе — Эйнштейна можно представить как множество частиц, занимающих одно и то же положение в пространстве и обладающих одинаковым импульсом. Поскольку силы взаимодействия между бозонами сведены к минимуму, конденсаты Бозе — Эйнштейна эффективно функционируют как сверхпроводники. Поэтому сверхпроводники используются в квантовых вычислениях благодаря их почти бесконечной проводимости и почти нулевому сопротивлению. Преимущества сверхпроводника перед обычным проводником заключаются в том, что сверхпроводники теоретически способны передавать сигналы почти мгновенно и работать бесконечно долго без потерь энергии. Возможность создания сверхпроводящих квантовых компьютеров становится ещё более многообещающей, учитывая недавнюю разработку NASA – лаборатории Cold Atom Lab в космосе, где конденсаты Бозе — Эйнштейна легче достигать и поддерживать (без быстрого рассеяния) в течение более длительных периодов времени, не подвергаясь воздействию гравитации.
Электрические схемы
В каждой точке сверхпроводящей электронной цепи (сети электрических элементов) волновая функция конденсата, описывающая поток заряда, чётко определена некоторой комплексной амплитудой вероятности. В типичных проводящих электрических схемах то же описание справедливо для отдельных носителей заряда, однако различные волновые функции усредняются при макроскопическом анализе, что делает наблюдение квантовых эффектов невозможным. Волновая функция конденсата оказывается полезной для разработки и измерения макроскопических квантовых эффектов. Подобно дискретным атомным энергетическим уровням в модели Бора, только дискретное число квантов магнитного потока может проникать в сверхпроводящий контур. В обоих случаях квантование является результатом непрерывности комплексной амплитуды. В отличие от микроскопических реализаций квантовых компьютеров (таких как атомы или фотоны), параметры сверхпроводящих схем задаются установкой (классических) значений для электрических элементов, из которых они состоят, например, путём регулировки ёмкости или индуктивности. Для получения квантово-механического описания электрической цепи необходимо выполнить несколько шагов. Во-первых, все электрические элементы должны быть описаны амплитудой и фазой волновой функции конденсата, а не близкими макроскопическими описаниями тока и напряжения, используемыми для классических цепей. Например, квадрат амплитуды волновой функции в любой произвольной точке пространства соответствует вероятности обнаружения там носителя заряда. Следовательно, квадрат амплитуды соответствует классическому распределению заряда. Второе требование для получения квантово-механического описания электрической цепи состоит в применении обобщённых законов Кирхгофа в каждом узле цепной сети для получения уравнений движения системы. Наконец, эти уравнения движения необходимо переформулировать в рамках лагранжевой механики, чтобы получить квантовый гамильтониан, описывающий полную энергию системы.
Производство
Сверхпроводящие квантовые вычислительные устройства обычно проектируются в радиочастотном диапазоне, охлаждаются в криостатах разбавления ниже 15 мК и управляются с помощью стандартных электронных приборов, таких как генераторы частоты и анализаторы спектра. Типичные размеры находятся в диапазоне микрометров, с субмикрометровым разрешением, что позволяет удобно проектировать гамильтонианскую систему, используя хорошо отработанную технологию интегральных схем. Изготовление сверхпроводящих кубитов включает в себя литографию, нанесение металла, травление и контролируемое окисление, как описано в [укажите источник]. Производители продолжают увеличивать время жизни сверхпроводящих кубитов и добились значительных улучшений с начала 2000-х годов.
Стыки Джозефсона
Одним из отличительных признаков сверхпроводящих квантовых схем является использование джозефсоновских переходов. Джозефсоновский переход – это электрический элемент, отсутствующий в нормальных проводниках. Вспомним, что переход представляет собой слабое соединение между двумя выводами проводника (в данном случае сверхпроводящего провода) по обе стороны от тонкого слоя изоляционного материала толщиной всего в несколько атомов, обычно реализуемого с помощью метода напыления в тени. Полученное джозефсоновское устройство демонстрирует эффект Джозефсона, при котором переход генерирует сверхток. Изображение одиночного джозефсоновского перехода представлено справа. Волновая функция конденсата по обе стороны от перехода слабо коррелирована, что означает, что они могут иметь различные сверхпроводящие фазы. Это отличие, связанное с нелинейностью, контрастирует с непрерывным сверхпроводящим проводом, для которого волновая функция через переход должна быть непрерывной. Прохождение тока через переход осуществляется посредством квантового туннелирования, которое, кажется, мгновенно "туннелирует" с одной стороны перехода на другую. Это туннельное явление уникально для квантовых систем. Таким образом, квантовое туннелирование используется для создания нелинейной индуктивности, необходимой для разработки кубитов, поскольку оно позволяет создавать ангармонические осцилляторы, для которых энергетические уровни дискретизированы (или квантованы) с неравномерным интервалом между уровнями энергии, обозначаемыми как трансмон, Xмон и квантроний. Для любой реализации кубита логические квантовые состояния отображаются на различные состояния физической системы (обычно на дискретные энергетические уровни или их квантовые суперпозиции). Каждый из трех архетипов обладает своим диапазоном отношения энергии Джозефсона к энергии заряда. Энергия Джозефсона относится к энергии, запасенной в джозефсоновских переходах при прохождении тока, а энергия заряда – это энергия, необходимая одной паре Купера для заряда общей емкости перехода. Энергию Джозефсона можно записать как [[File:Energy scales for qubits. png|thumb|График различных сверхпроводящих архетипов кубитов в зависимости от отношения энергии Джозефсона к энергии заряда с легендой справа. График в верхнем левом углу иллюстрирует электрическую схему унимона. Изображение в верхнем правом углу показывает компоненты схемы флюксония, а изображение в нижнем правом углу – джозефсоновский переход меньшей площади. Еще одним важным преимуществом флюксониевого кубита, настроенного в оптимальную точку, является большая ангармоничность, которая обеспечивает быстрое локальное микроволновое управление и снижает проблемы спектрального скопления, что приводит к лучшей масштабируемости.
Заряженный кубит
Зарядный кубит, также известный как коробка Куперовских пар, характеризуется отношением энергии Джозефсона к энергии заряда порядка единицы. Для зарядных кубитов различные уровни энергии соответствуют целому числу Куперовских пар на сверхпроводящем острове (небольшой сверхпроводящей области с контролируемым количеством носителей заряда). Фактически, первым экспериментально реализованным кубитом была коробка Куперовских пар, созданная в 1999 году. устройство, состоящее из четырех сверхпроводящих трансмонных кубитов, четырех квантовых шин и четырех резонаторов считывания, изготовленное компанией IBM и опубликованное в npj Quantum Information в январе 2017 года.
Трансмон
Трансмоны — это особый тип кубитов с шунтированным конденсатором, специально разработанным для подавления шума. Модель трансмонного кубита была основана на ящике с парами Купера (проиллюстрирован в таблице выше в первой строке и первом столбце). Он также стал первым кубитом, продемонстрировавшим квантовое превосходство. Увеличенное отношение энергии Джозефсона к энергии заряда снижает влияние шума. Два трансмона можно соединить с помощью соединительного конденсатора. Иксон — это, по сути, настраиваемый трансмон. Основное различие между трансмоном и иксоном заключается в том, что один из конденсаторных выводов иксона заземлен.
Гатемон
Еще один вариант трансмонного кубита — это Гатэмон. Как и Ксмон, Гатэмон является настраиваемой разновидностью трансмона. Настройка Гатэмона осуществляется посредством напряжения на затворе. thumb|Сверхпроводящая схема, состоящая из 3 унимонов (синий), каждый из которых подключен к резонаторам (красный), линиям управления (зеленый) и общим линиям зондирования (желтый).
Одиночные кубиты
Разрыв в энергии в ГГц между энергетическими уровнями сверхпроводящего кубита проектируется с учетом совместимости с доступным электронным оборудованием из-за отсутствия оборудования в терагерцовом диапазоне (более высоких частот). Энергетический разрыв сверхпроводника накладывает верхний предел на рабочую частоту ниже ~1 ТГц, поскольку при превышении этого значения происходит распад куперовских пар, что делает невозможным слишком большое разделение энергетических уровней. С другой стороны, разделение энергетических уровней не должно быть слишком малым из-за требований к охлаждению: температура 1 К соответствует энергетическим флуктуациям в 20 ГГц. В криостатах разбавления достигаются температуры порядка десятков милликельвинов, что позволяет кубитам работать при разделении энергетических уровней около 5 ГГц. Разделение энергетических уровней кубита часто регулируется путем управления выделенной линией тока смещения, предоставляющей возможность тонкой настройки параметров кубита ("ручку" управления).
Кубиты сцепления
Способность связывать кубиты необходима для реализации двухкубитных логических операций. Связывание двух кубитов может быть достигнуто путем подключения обоих к промежуточной электрической схеме связи. Эта схема может быть как фиксированным элементом (например, конденсатором), так и управляемой (например, сверхпроводящим кольцом с перекрестным соединением – DC SQUID). В первом случае, разъединение кубитов во время выключения операции достигается путем вывода кубитов из резонанса друг с другом, что приводит к разнице в энергетических зазорах между их вычислительными состояниями. Этот подход принципиально ограничен связью только с ближайшими соседями, поскольку для соединения кубитов необходимо физически проложить между ними электрическую цепь. Важно отметить, что связность ближайших соседей в системах D Wave Systems обеспечивает высокосвязанную элементарную ячейку из 8 кубитов в конфигурации графа Химеры. Квантовые алгоритмы, как правило, требуют связности между любыми кубитами. Следовательно, необходимы многочисленные операции перестановки, что ограничивает длину квантовых вычислений до наступления декогеренции процессора.
Квантовая шина
Другой способ соединения двух или более кубитов – использование квантовой шины, посредством подключения кубитов к этому промежуточному элементу. Квантовая шина часто реализуется в виде микроволновой резонатора, моделируемого квантовым гармоническим осциллятором. Соединенные кубиты могут быть введены и выведены из резонанса с шиной и друг с другом, что позволяет обойти ограничение на взаимодействие только с ближайшими соседями. Формализм, описывающий такое взаимодействие, – квантовая электродинамика резонаторов. В квантовой электродинамике резонаторов кубиты аналогичны атомам, взаимодействующим с оптическим фотонным резонатором, но с разностью частот в ГГц (в отличие от ТГц диапазона электромагнитного излучения). Резонансный обмен возбуждениями между этими искусственными атомами потенциально полезен для непосредственной реализации многокубитных логических операций. В соответствии с многообразием темных состояний, схема Хазали – Мёльмера реализуется, следуя принятым обозначениям и используя селективное микроволновое управление. Несогласованное управление может быть использовано для индуцирования дифференциального сдвига по фазе AC Stark, что позволяет реализовать все управляемые микроволнами фазовые ворота.
Following the notation of, and by using selective microwave driving. Off resonant driving can be used to induce differential ac Stark shift, allowing the implementation of all microwave controlled phase gates.
Критерии Ди Винченцо
Критерии Ди Винченцо — это перечень требований к физической системе для реализации логического кубита. Сверхпроводящие квантовые вычисления удовлетворяют критериям Ди Винченцо. Значительная часть текущих разработок в области сверхпроводящих квантовых вычислений направлена на обеспечение межсоединений, управления и считывания в третьем измерении с использованием дополнительных литографических слоев. Реализация сверхпроводящих кубитов удовлетворяет перечню критериев Ди Винченцо для физической системы, реализующей логический кубит. Хотя первоначально предложенные критерии Ди Винченцо состояли из пяти требований, необходимых для физической реализации квантового компьютера, более полный перечень включает семь критериев, поскольку он учитывает связь через компьютерную сеть, способную передавать квантовую информацию между компьютерами, известную как «квантовый интернет». Таким образом, первые пять критериев обеспечивают успешные квантовые вычисления, а последние два — квантовую связь. Масштабируемая физическая система с хорошо охарактеризованными кубитами. «Хорошо охарактеризованная» подразумевает, что гамильтониан должен быть чётко определён, то есть энергетические собственные состояния кубита должны быть количественно определимы. Масштабируемость системы самоочевидна: она указывает на то, что возможность управления кубитом может быть расширена для большего числа кубитов. Здесь кроется основная проблема, с которой сталкиваются квантовые компьютеры: по мере увеличения числа кубитов стоимость и другие физические реализации растут экспоненциально, что несопоставимо с потенциальным увеличением скорости вычислений. Фидуциальное состояние — это состояние, которое легко и последовательно воспроизводится и полезно в квантовых вычислениях, поскольку его можно использовать для гарантии начального состояния кубитов. Один из простых способов инициализации сверхпроводящего кубита — подождать, пока кубиты не расслабятся до основного состояния. Управление кубитовым потенциалом с помощью регулировочных параметров позволяет ускорить механизмы инициализации. Длительное время когерентности. Недавние стратегии улучшения когерентности устройств включают очистку материалов схемы и разработку кубитов с пониженной чувствительностью к источникам шума. Этот критерий также может быть выполнен путём соединения двух трансмонов с помощью соединительного конденсатора.
Вызовы
Одной из основных проблем сверхпроводящих квантовых вычислений являются чрезвычайно низкие температуры, при которых существуют сверхпроводники, такие как конденсаты Бозе — Эйнштейна. Другие основные проблемы в разработке сверхпроводящих кубитов заключаются в формировании потенциальной ямы и выборе массы частиц таким образом, чтобы энергетическое разделение между двумя конкретными энергетическими уровнями было уникальным, отличающимся от всех других межуровневых энергетических разделений в системе, поскольку эти два уровня используются в качестве логических состояний кубита. Сверхпроводящие квантовые вычисления также должны снижать влияние квантового шума (возмущений системы, вызванных её взаимодействием с окружающей средой), а также утечки (потери информации в окружающую среду). Один из способов уменьшить утечку — это измерения чётности. В конце века, в 1999 году, была опубликована статья Ясунобу Накамуры, в которой был представлен первоначальный дизайн сверхпроводящего кубита, который теперь известен как «зарядный кубит». Это стало основой для последующих усовершенствований. Эти первые кубиты имели ограничения в отношении поддержания длительного времени когерентности и выполнения разрушительных измерений. Дальнейшие усовершенствования этого первоначального прорыва привели к изобретению фазового и потокового кубитов, а затем и трансмонного кубита, который в настоящее время широко и преимущественно используется в сверхпроводящих квантовых вычислениях. Трансмонный кубит усовершенствовал оригинальные конструкции и дополнительно защитил кубит от шума заряда. IBM публично представила следующую дорожную карту для своих квантовых компьютеров, которые также используют сверхпроводящие кубиты и трансмонные кубиты. 2021: В 2021 году IBM представила свой 127-кубитный процессор. 2022: 9 ноября IBM объявила о своём 433-кубитном процессоре под названием «Osprey». 2023: IBM планирует выпустить свой квантовый процессор Condor с 1121 кубитом.