Лукин квантовый компьютер. Физик Михаил Лукин: "Для ученого очень важно время от времени менять направление". Полезно ли это
В ходе Международной квантовой конференции в Москве российский учёный Михаил Лукин представил самый мощный на сегодняшний день 51-кубитный квантовый компьютер. Число 51 было выбрано не случайно: Google уже долгое время работает над 49-кубитным квантовым компьютером, а потому обойти конкурента было для Лукина, как для азартного учёного, делом принципа.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, - отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. - Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью - развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, - справедливо считает Джон Мартинес. - Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно - создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита - это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Сами же кубиты, в количестве которых так неистово «соревнуются» учёные, - это вычислительный юнит, который одновременно представляет собой и ноль, и единицу, в то время как привычный бит - это либо одно, либо другое. Современные суперкомпьютеры выстраивают последовательности, а квантовые компьютеры, в свою очередь, проводят вычисления параллельно, в одно мгновение. Благодаря такому подходу вычисления, на которые сегодняшним суперкомпьютерам понадобятся тысячи лет, квантовый компьютер может осуществить моментально.
«Это одна из самых больших квантовых систем, которые были созданы, - рассказывает Михаил Лукин, профессор Гарвардского университета и сооснователь Российского квантового центра. - Мы входим в тот режим, где уже классические компьютеры не могут справиться с вычислениями. Делаем маленькие открытия, увидели новые эффекты, которые не ожидались теоретически, которые мы сейчас можем, мы пытаемся понять, но до конца не понимаем».
Пока даже создатели мощнейших квантовых компьютеров не могут сказать наверняка, зачем человечеству понадобятся настолько мощные вычислительные машины. Возможно, с их помощью будут разработаны принципиально новые материалы. Могут быть совершены новые открытия на ниве физики или химии. Или, возможно, квантовые компьютеры помогут, наконец, полностью понять природу человеческого мозга и сознания.
«Когда совершается научное открытие, его создатели не представляют всю мощь, которую оно принесёт, - полагает Руслан Юнусов, директор Российского квантового центра. - Здесь можно привести пример транзистора. Когда придуман был транзистор, то никто не представлял, что на этом транзисторе построятся компьютеры. А когда построили компьютеры, никто не представлял, как сильно изменится жизнь».
Выпускник Физтеха Михаил Лукин поставил эксперимент, изумивший мир
М. Лукин поступил в МФТИ в 1988 году на ФФКЭ, базовую подготовку проходил на кафедре твердотельной электроники под руководством академика Ю. В. Гуляева. Научной работой занимался под руководством В. И. Манько, А. Ф. Попкова, И. А. Игнатьева. После 4-го курса был командирован на 9 месяцев в Алабамский университет (США). По возвращении защитил дипломную работу и досрочно, в 1993 году, с отличием закончил МФТИ. По рекомендации профессора В. И. Манько был приглашен в Техасский университет к профессору М. Скалли, в 1998 году защитил диссертацию. За цикл научных работ в 1999 году удостоен медали Американского оптического общества.
Что наделал наш Лукин? ОН ОСТАНОВИЛ ЛУЧ СВЕТА!
(из эксклюзивного интервью собкора "КП" А. Кабанникова с российским ученым)
- ...Как вы оказались в Америке?
Я был приглашен в аспирантуру Техасского университета. А после защиты диссертации об использовании лазеров для контроля за средой получил специальную стипендию от Гарварда на исследования.
- Откуда взялась идея эксперимента с задержкой света?
Два года назад моему бывшему шефу по Техасскому университету Марлону Скалли исполнилось 60 лет. По этому поводу принято выпускать юбилейные сборники с работами учеников. Мы долго размышяли над темой. В ту пору было много разговоров о медленном свете - торможении его импульсов. Буквально за три дня до сдачи рукописи я и двое молодых коллег из Германии - Сюзанна Елин и Майк Фляйшхауэр - решили наконец, что будем писать о том, как остановить свет, и использовать это как способ сохранения информации.
Примерно год ушел на теоретические обоснования. Опыты начали в апреле и уже к осени имели первые результаты, которые полностью подтвердили теорию.
В прессе звучат самые фантастические характеристики вашей работы. Утверждают, например, что эксперимент опровергает теорию относительности. Говорят даже, что примерно так же можно остановить время...
Это домыслы любителей сенсаций. Что произошло в действительности? Представьте себе обычный луч, направленный на какой-нибудь предмет. Импульс света вступает во взаимодействие с атомами, они возбуждаются, излучают энергию. Потом она теряется - в виде тепла, свечения. Мы приготовили специальную среду из сверхохлажденных паров рубидия. А затем с помощью контрольного лазера сделали ее электромагнитно проводимой. На нее и был направлен импульс света. Когда он достиг среды, мы отключили контрольный лазер. Импульс замедлился до нуля, фотонов не стало. Но информация сохранилась внутри возбужденной среды. И если опять включить контрольный лазер, тот же импульс продолжит свое движение с прежней скоростью. Вот, собственно, и все.
Газета "Нью-Йорк таймс" рассказала о вашем эксперименте на первой полосе, вслед за этим пресса всего мира сообщила о нем как о научной сенсации с большим будущим...
Не уличайте меня в ложной скромности, но на самом деле значимость работы раздута. Сделан маленький шажок в маленькой области. Хотя реализация идеи в полном виде таит в себе интереснейший потенциал и может принести крупные результаты.
Действительно ли, как считают научные комментаторы, ваш опыт означает шаг к революции в компьютерных технологиях?
Это скорее дело инженеров, а мы занимаемся чистой наукой. Но опыт указывает на принципиально новые возможности хранения и обработки информации. Хотя путь к ним от лабораторного опыта огромный, он займет годы и даже десятилетия.
Так или иначе, этот эксперимент принес вам известность в научном мире; в свои 29 лет вы без пяти минут профессор Кембриджского университета. Есть ли в этом заслуга российской школы?
Без всяких сомнений! МФТИ был и остается первоклассным вузом. Ряд использованных нами методов базируется на идеях и разработках профессора Владлена Летохова из Института спектроскопии Российской академии наук. Когда два года назад двое американцев и француз получили Нобелевские премии за лазерное охлаждение, многие считали, что и Летохов должен был быть в числе лауреатов. Почти все знания о подходах к эксперименту я получил, сотрудничая с группой замечательных ученых Физического института имени Лебедева.
И не парадокс ли при этом, что удививший мир эксперимент по российским методикам поставлен российским ученым... в Америке?
Обедневшая отечественная наука сегодня держится лишь на ветеранах старой закалки... Я реально оцениваю ситуацию: поверьте, окажись у МФТИ средства на исследования, и они справились бы с той же самой задачей за какие-нибудь два года.
Вашингтон.
Physical Review Letters
January 29, 2001 - Volume 86, Issue 5, pp. 783-786
Full Text: PDF (163 kB)
Storage of Light in Atomic Vapor
D. F. Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair, and R. L. Walsworth Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts 02138
M. D. Lukin ITAMP, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts 02138
We report an experiment in which a light pulse is effectively decelerated and trapped in a vapor of Rb atoms, stored for a controlled period of time, and then released on demand. We accomplish this "storage of light" by dynamically reducing the group velocity of the light pulse to zero, so that the coherent excitation of the light is reversibly mapped into a Zeeman (spin) coherence of the Rb vapor. ©2001 The American Physical Society
URL:http://publish.aps.org/abstract/PRL/v86/p783
DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.783
PACS: 42.50.Gy, 03.67.-a Additional Information
References
1. M. D. Lukin, S. F. Yelin, and M. Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 84, 4232 (2000); L. M. Duan, J. I. Cirac, and P. Zoller (unpublished).
2. M. Fleischhauer and M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett. 84, 5094 (2000).
3. L. V. Hau, S. E. Harris, Z. Dutton, and C. H. Behroozi, Nature (London) 397, 594 (1999); M. Kash et al., Phys. Rev. Lett. 82, 5229 (1999); D. Budker et al., ibid. 83, 1767 (1999).
4. See, e.g., S. E. Harris, Phys. Today 50, No. 7, 36 (1997).
5. Dissipative techniques for the partial transfer of quantum statistics from light to atoms are reported in A. Kuzmich, K. Mшlmer, and E. S. Polzik, Phys. Rev. Lett. 79, 4782 (1997); J. Hald, J. L. Sшrensen, C. Schori, and E. S. Polzik, Phys. Rev. Lett. 83, 1319 (1999).
6. J. I. Cirac, P. Zoller, H. J. Kimble, and H. Mabuchi, Phys. Rev. Lett. 78, 3221 (1997).
7. M. Hennrich, T. Legero, A. Kuhn, and G. Rempe, Phys. Rev. Lett. 85, 4872 (2000).
8. M. D. Lukin et al., quant-ph/0011028.
9. L. Duan, J. I. Cirac, P. Zoller, and E. Polzik, quant-ph/0003111.
10. A. Kuzmich, L. Mandel, and N. Bigelow, Phys. Rev. Lett. 85, 1594 (2000).
11. O. Kocharovskaya, Yu. Rostovtsev, and M. O. Scully, Phys. Rev. Lett. 86, 628 (2001).
12. H. Schmidt and A. Imamolu, Opt. Lett. 21, 1936 (1996); ; S. E. Harris and Y. Yamamoto, Phys. Rev. Lett. 81, 3611 (1998); S. E. Harris and L. V. Hau, ibid. 82, 4611 (1999); M. D. Lukin and A. Imamolu, ibid. 84, 1419 (2000).
13. For observation of Zeeman-coherence-based EIT in a dense medium, see V. A. Sautenkov et al., Phys. Rev. A 62, 023810 (2000).
14. In our present experiment up to ~50% of the input light excitation has been trapped. We anticipate that the stored fraction can be increased by either using a larger density-length product or with an optical cavity .
15. S. E. Harris, Phys. Rev. Lett. 70, 552 (1993); M. D. Lukin et al., Phys. Rev. Lett. 79, 2959 (1997).
16.C. Liu, Z. Dutton, C. H. Behroozi, and L. V. Hau, Nature (London) (to be published).
МОСКВА, 14 июл — РИА Новости. Российские и американские ученые, работающие в Гарварде, создали и проверили первый в мире квантовый компьютер, состоящий из 51 кубита. Устройство пока является самой сложной вычислительной системой такого рода, заявил профессор Гарвардского университета, сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин.
Физик сообщил об этом, выступая с докладом на Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2017, которая проводится под эгидой РКЦ в Москве. Это достижение позволило группе Лукина стать лидером в гонке по созданию полноценного квантового компьютера, которая неофициально проходит уже несколько лет между несколькими группами ведущих физиков мира.
Квантовые компьютеры представляют собой особые вычислительные устройства, чья мощность растет экспоненциальным образом благодаря использованию законов квантовой механики в их работе. Все подобные устройства состоят из кубитов — ячеек памяти и одновременно примитивных вычислительных модулей, способных хранить в себе спектр значений между нулем и единицей.
Сегодня существует два основных подхода к разработке подобных устройств — классический и адиабатический. Сторонники первого из них пытаются создать универсальный квантовый компьютер, кубиты в котором подчинялись бы тем правилам, по которым работают обычные цифровые устройства. Работа с подобным вычислительным устройством в идеале не будет сильно отличаться от того, как инженеры и программисты управляют обычными компьютерами. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, а не к цифровым устройствам современности.
В прошлом году сразу несколько команд ученых и инженеров из США, Австралии и ряда европейских стран заявляли о том, что они близки к созданию подобной машины. Лидером в этой неформальной гонке считалась команда Джона Мартиниса из компании Google, разрабатывающая необычный "гибридный" вариант универсального квантового вычислителя, сочетающего в себе элементы аналогового и цифрового подхода к таким расчетам.
Лукин и его коллеги по РКЦ и Гарварду обошли группу Мартиниса, которая, как рассказал Мартинис РИА Новости, сейчас работает над созданием 22-кубитной вычислительной машины, используя не сверхпроводники, как ученые из Google, а экзотические "холодные атомы".
Как обнаружили российские и американские ученые, набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных "клеток" и охлажденных до сверхнизких температур, можно использовать в качестве кубитов квантового компьютера, сохраняющих стабильность работы при достаточно широком наборе условий. Это позволило физикам создать пока самый большой квантовый вычислитель из 51 кубита.
Используя набор подобных кубитов, команда Лукина уже решила несколько физических задач, чрезвычайно сложных для моделирования при помощи "классических" суперкомпьютеров. К примеру, российские и американские ученые смогли просчитать то, как ведет себя большое облако частиц, связанных между собой, обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри него. Оказалось, что при затухании возбуждения в системе могут остаться и удерживаться фактически бесконечно некоторые типы колебаний, о чем раньше ученые не подозревали.
Для проверки результатов этих вычислений Лукину и его коллегам пришлось разработать специальный алгоритм, который позволил провести аналогичные расчеты в очень грубом виде на обычных компьютерах. Результаты в целом совпали, это подтвердило, что 51-кубитная система ученых из Гарварда работает на практике.
В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Лукин не исключает, что его команда попытается запустить на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, который позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA. По словам Лукина, статья с первыми результатами работы квантового компьютера уже была принята к публикации в одном из рецензируемых научных журналов.
В пятницу утром, 14 июля, на Международной конференции по квантовым технологиям Михаил Лукин - сооснователь Российского квантового центра и профессор в Гарвардском университете - рассказал о создании его научной группой полностью программируемого 51-кубитного квантового вычислителя. На первый взгляд, такой результат можно назвать внезапным прорывом в этой области - такие гиганты, как Google и IBM, только подбираются к рубежу 50 кубитов в квантовом компьютере. Буквально вчера на сервере препринтов arXiv.org появилось подробное описание эксперимента. Редакция N + 1 решила разобраться в том, что же все-таки произошло и чего ждать от нового квантового компьютера.
Коротко о квантовых компьютерах - универсальных и неуниверсальных
На что похож 51-кубитный компьютер?
Разберемся с системой, созданной физиками в новой работе. Роль кубитов в ней играют холодные атомы рубидия, захваченные в оптическую ловушку. Сама ловушка представляет собой массив из 101 оптического пинцета (сфокусированного лазерного луча). Атом удерживается пинцетом в равновесном положении за счет градиента электрического поля - он притягивается к области с максимальной напряженностью электрического поля, которая находится в точке фокуса пинцета. Так как все пинцеты выстроены в ряд, все атомы-кубиты компьютера также выстроен в цепочку.
«Ноль» для каждого из атомов рубидия - его основное, невозбужденное состояние. «Единица» - специально подготовленное ридберговское состояние. Это такое возбужденное состояние, в котором внешний электрон рубидия оказывается очень далеко от ядра (на 50-й, 100-й, 1000-й орбитали), но по-прежнему остается с ним связан. Из-за большого радиуса ридберговские атомы начинают взаимодействовать (отталкиваться) на гораздо больших расстояниях, чем обычные. Это отталкивание и позволяет превратить ряд из 51 атома рубидия в цепочку сильно взаимодействующих частиц.
Для управления состояниями кубитов используется отдельная система лазеров, способная возбуждать их в ридберговское состояние. Главная и важнейшая особенность нового вычислителя - возможность напрямую адресоваться к каждому из 51 кубита. Существуют и более сложные ансамбли атомов, в которых наблюдаются запутанные квантовые состояния (недавно мы о 16 миллионах атомов, запутанных взаимодействием с одним фотоном), а квантовое моделирование выполняли и на более чем сотне холодных атомов. Но во всех этих случаях у ученых не было возможности точно контролировать систему. Именно поэтому новая система называется полностью программируемым квантовым компьютером.
Каждое вычисление на квантовом компьютере - в некотором смысле моделирование реальной квантовой системы. Основная часть новой работы посвящена моделированию хорошо известной квантовой системы - модели Изинга. Она описывает цепочку (в данном случае) частиц с ненулевыми спинами (магнитными моментами), взаимодействующих со своими соседями. Модель Изинга часто привлекают для описания магнетизма и магнитных переходов в твердых телах.
Эксперимент был построен следующим образом. Сначала частицы охлаждали и захватывали в оптические пинцеты. Это вероятностный процесс, поэтому поначалу массив частиц был хаотичным. Затем с помощью последовательности измерений и корректировок создавался бездефектный массив из более чем 50 холодных атомов в основном невозбужденном состоянии. На следующем этапе оптические пинцеты отключали и одновременно с этим включали систему, возбуждавшую атомы в ридберговское состояние. Некоторое время система эволюционировала под действием ван-дер-ваальсовых сил - атомы занимали наиболее «удобные» для них позиции, после чего пинцеты снова включали и изучали результат эволюции.
В зависимости от того, как близко располагались холодные атомы до возбуждающего импульса, физики наблюдали разные результаты эволюции. Это связано с тем, что ридберговские атомы способны подавлять возбуждение соседей до ридберговских состояний (из-за сильного отталкивания). Ученые наблюдали системы, в которых атомы после эволюции оказывались упорядочены так, что между каждой парой соседних ридберговских атомов был строго один, строго два или строго три обычных.
Интересно, что образование очень упорядоченных структур после свободной эволюции происходило с очень большой вероятностью - даже в случае массива из 51 холодного атома.
Чтобы посмотреть, как происходит процесс эволюции, ученые включали пинцеты и «фотографировали» систему в разные моменты времени. Оказалось, что в некоторых случаях эволюция к состоянию равновесия происходила очень медленно: система долгое время колебалась между несколькими состояниями. Этот результат можно подтвердить грубым классическим моделированием, вовлекая в анализ взаимодействия между соседними и следующими за соседними атомами.
Полезно ли это?
Это один из тех случаев, когда квантовое моделирование предсказывает реальный новый эффект. Стоит заметить, что точно смоделировать систему из 51 холодного атома с помощью классического компьютера невозможно. Чтобы только описать все возможные ее состояния потребуется 2 51 бита оперативной памяти (около петабайта). Подтвердить этот эффект удалось лишь грубым моделированием на классическом компьютере.
Интересно, что ровно обратная ситуация возникает при квантово-химических расчетах - классические компьютеры дают лишь приблизительную оценку свойств для сложных систем, затрачивая на это огромные вычислительные ресурсы. В то же время прямой анализ этих, безусловно, квантовых систем дает точный результат.
А для чего еще он пригодится?
В конце препринта авторы традиционно приводят список областей, в которых может быть полезна новая разработка. Можно перечислить некоторые из них: создание суперпозиций, состоящих из большого количества частиц, исследование топологических состояний в спиновых системах. Физики отдельно отмечают, что алгоритм хорошо подходит для решения задач оптимизации систем, размеры которых заведомо превышают предел досягаемости обычных компьютеров. Эти задачи включают в себя моделирование химических реакций и обучение .
Созданная Михаилом Лукиным и его коллегами система работает сейчас как квантовый симулятор - она моделирует системы, подобные самой себе. Однако стоит заметить, что на отдельных парах ридберговских атомов физикам уже удавалось создавать логические CNOT -вентили, используемые для создания запутанности. Поэтому можно говорить о том, что в новой системе можно реализовать некоторые простейшие алгоритмы (к примеру, алгоритм Дойча, или алгоритм Шора для очень маленьких чисел). Однако на данном этапе эти алгоритмы не будут полезными.
Михаил Лукин (слева) и Джон Мартинис (справа) - глава группы, разрабатывающей 49-кубитный квантовый компьютер в Google
Российский квантовый центр
В некотором смысле новое устройство уже сейчас способно решать задачи, недоступные для классических компьютеров - его невозможно точно смоделировать обычными компьютерами. Но говорить о полезном квантовом превосходстве, которое уже сейчас пригодится в прикладных задачах, еще рано. Многие ученые отмечают, что гонка за квантовым превосходством сейчас не несет в себе ничего полезного с точки зрения прикладных вычислительных задач.
Стоит заметить, что эксперименты с атомами в оптических решетках уже несколько лет назад превзошли предел досягаемости точного моделирования классическими компьютерами. В них используются десятки связанных между собой частиц. Например, с их помощью квантовые кооперативные явления, родственные сверхтекучести и сверхпроводимости. Является ли это квантовым превосходством?
Владимир Королёв
