В России создаются квантовые компьютеры на всех четырех приоритетных платформах — на ионах, сверхпроводниках, нейтральных атомах и фотонах. Однако в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», которую координирует госкорпорация «Росатом», развиваются и другие направления квантовых вычислений. Квантовые симуляторы — одно из них. В новой колонке Алексей Акимов, научный директор Российского квантового центра (РКЦ) и руководитель группы «Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника», рассказывает о квантовых симуляторах, для чего они используются, какие особенности и ограничения есть у этой технологии.
Зачем нужны квантовые симуляторы?
Появление квантовых симуляторов определили сами ученые. Дело в том, что существует много задач квантовой механики, которые пока не удается решить аналитически. И даже численно. На мощнейших суперкомпьютерах такие задачи удается рассчитать лишь для малого числа частиц — меньше 30.
Если посмотреть в таблицу Менделеева, удивляет, почему известно так мало материалов, демонстрирующих магнитные свойства, ведь атомов, которые обладают магнитным моментом, гораздо больше. Но оказывается, многие, казалось бы, «магнитные» атомы, т. е. атомы, у которых есть очень заметный магнитный момент, если атом взять сам по себе, при охлаждении выстраиваются в решетку, которая не позволяет им сформировать ферромагнитное, т. е. сильно намагниченное состояние.
Получается, атомы сами по себе хорошие магнитики, а собранный из них материал, представляющий собой сложную суперпозицию состояний индивидуальных магнитов, — нет. Расчеты для таких перепутанных состояний сложны и плохо поддаются классическим методам вычислений.
Другой известный пример — высокотемпературная сверхпроводимость. Теоретические модели, ее рассчитывающие, и по сей день сильно промахиваются и, несмотря на успешное предсказание сверхпроводимости при комнатной температуре и высоком давлении, задача получения высокотемпературной сверхпроводимости при нормальном давлении по-прежнему не по силам ни лучшим теоретикам, ни суперкомпьютерам.
Есть и большой класс более мелких, но тоже весьма сложных задач, над решением которых бьются физики. К ним, например, относятся расчеты состояния вещества при фазовых переходах, задачи транспорта возбуждения и частиц, поиск новых состояний вещества, некоторые задачи квантовой химии, в особенности в части скорости реакций и катализа, задачи физики частиц и квантовой термодинамики. Иногда к этому списку причисляют и задачи космологии и вопросов гравитации.
Но это задачи самой физики, а всему остальному миру требуется решение насущных задач. Например, задач оптимизации, распознавания и других пока еще не до конца решенных задач, над которыми бьются не только сообщества исследователей квантовых технологий, но и искусственный интеллект, и многие лучшие специалисты классических вычислений.
Как могут поменять ситуацию квантовые симуляторы? И что это такое?
Квантовые симуляторы — это специализированные квантовые устройства, сфокусированные на решении одного класса задач. Они бывают двух типов — полностью аналоговые и частично цифровые.
Первые полностью «отдают» решение задачи квантовым частицам, вторые — позволяют человеку влиять на процесс решения, и потому могут быть более интересны при интеграции с нейронными сетями.
Аналоговые квантовые симуляторы
Как симулятор решает задачу? Человек формулирует задачу, но задача при этом «кодируется» на языке частиц. Это означает, что человек с помощью специально сконструированной машины определяет взаимодействие между частицами, их начальное состояние и окружение. На первом этапе работы задаются все положения и взаимодействия частиц, а потом частицы «отпускают».
Тут стоит пояснить, что квантовые частицы сами по себе очень хорошо умеют решать уравнения квантовой механики. Ведь они живут в мире квантовой механики. Проще говоря, они не умеют жить, не решая уравнения квантовой механики. Для них способность решать уравнения квантовой механики — это все равно, что умение ходить.
Все, что остается человеку, это подождать и посмотреть, что частицы сделали за отведенное им время, — это и будет решением задачи. На практике это означает, что компьютер через определенные интервалы времени считывает состояние системы, автоматически меняет параметры и собирает данные. Человеку остается лишь правильно сформулировать задачу и изучить конечный результат. При условии, что он построил саму машину.
Как построить квантовый симулятор?
Методов много, почти так же много, как и типов квантовых частиц.
Очень популярны холодные атомы — это частицы, которые в лабораторной установке находятся при температуре практически абсолютного нуля. Для них хорошо известны и могут контролироваться взаимодействия и внутренние состояния. У них почти нет лишних, неконтролируемых степеней свободы, а также их можно располагать и удерживать в нужном ученым порядке с помощью световых (как правило, лазерных) лучей.
Лазерными же лучами из холодных атомов можно создавать аналоги кристаллических решеток, что позволяет моделировать кристаллические материалы, или аналоги ядер атомов при моделировании задач квантовой химии.
Сильное охлаждение атомов необходимо, чтобы их случайное движение не мешало моделированию. Это становится возможным благодаря современным методам лазерного охлаждения.
Первые удачные эксперименты
Одним из первых симуляторов на холодных атомах был симулятор, построенный группой Иммануила Блоха в 2002 году. Он впервые позволил успешно смоделировать фазовый переход из сверхтекучего или сверхпроводящего состояния в состояние изолятора. Интересно, что, хотя обе стороны перехода неплохо описывались теорией, область самого перехода являлась сложной для теоретиков, поскольку в этой области не удается сделать упрощающих расчет приближений.
Позже сотрудник группы Блоха Маркус Грайнер стал профессором Гарвадского университета и построил первый в мире микроскоп, способный разрешать отдельные атомы в квантовом симуляторе. Сегодня таких микроскопов уже довольно много, они появились по всему миру. Один недавно был построен и запущен в России.
Широкое практическое использование
После первого успешного моделирования квантовые симуляторы стали активно применяться учеными для решения физических задач. Результаты расчетов, полученные с помощью квантовых симуляторов, и связанные с этим открытия часто публикуют ведущие научные журналы, такие как Science, Nature, Physical Review Letters.
Сложность решаемых задач постоянно растет. Квантовые симуляторы позволяют проводить моделирование неравновесных процессов, в том числе нарушение установления равновесия в изолированных системах, т. е. не взаимодействующих с внешним миром (казалось бы, если нет внешних воздействий, то почему не прийти в равновесие), динамику локализации многих тел и корреляции высокого порядка.
Сегодня объединенный подход квантового моделирования и прецизионной метрологии ведет к революции в нашем понимании сложных систем.
Симуляторы на атомных квантовых газах уже позволили синтезировать калибровочные поля, важные для физики конденсированных сред, высоких энергий, частиц, а также для вопросов гравитации.
Другие платформы квантовых симуляторов
Холодные атомы являются далеко не единственной платформой для квантовых симуляторов. Не меньший интерес представляют ультрахолодные полярные молекулы. Их сложнее охлаждать, но они обладают большим дипольным моментом и хорошо решают задачи, связанные с дальнодействующими потенциалами, что важно для задач молекулярной физики, а значит, для медицины и биологии.
Перспективной платформой для квантовых симуляторов являются и так называемые центры окраски в различных кристаллах. Очень популярны центры окраски в алмазе, а также допирующие материалы в полупроводниках.
Важным типом квантовых симуляторов являются фотоны — именно на них реализовано пока не превзойденное классическими компьютерами решение задачи квантового семплинга. Сама по себе задача бозонного семплинга пока не нашла массового применения, но начинают появляться предложения по ее применению для решения некоторых вычислительных задач и задач криптографии. И не исключено, что вскоре бозонный семплинг, реализованный на фотонных симуляторах, станет важной составляющей крупных вычислительных центров.
Фотоны в резонаторах также являются значимым направлением, причем как в режиме сильной связи и взаимодействия с твердотельными кубитами, так и в режиме слабой связи, реализуя модель Изинга. Последняя часто относится экспертами скорее к квантово-вдохновленным машинам, направленным на решение задач оптимизации, многие из которых удается свести к физическому гамильтониану Изинга.
Многослойные структуры из 2D-материалов за счет поворота слоев при приложении небольшого напряжения могут существенно менять модельную зонную структуру. Такой подход позволяет моделировать самые разные фазы вещества — от сверхпроводников до изоляторов, моделировать фрактальные жидкие стекла и «разочарованные» магниты — те самые магнитные материалы, что могли бы быть магнитными, да не стали. Эти симуляторы обладают огромным числом частиц и позволяют управлять топологией поверхности Ферми, что важно для решения конкретных физических задач. Ожидается, что эти системы будут успешно использоваться в моделировании оптоэлектронных и термоэлектрических устройств для современной промышленности.
На холодных ионах, ридберговских атомах и сверхпроводниках активно развиваются симуляторы, так или иначе интегрирующие в свою работу логические операции. Такие симуляторы могут оказаться полезными прежде всего для оптимизационных задач, задач машинного обучения, распознавания. Однако они также могут быть использованы и для решения задач квантовой химии и решения физических задач неупорядоченных систем.
В целом в мире, согласно подсчету Национального научного фонда США, существует уже более 300 различных квантовых симуляторов.
Из них в России успешно начали функционировать симулятор ультрахолодной плазмы в Институте физики высоких энергий РАН, симуляторы модели Хаббарда на холодных атомах и двумерных материалах в Российском квантовом центре, сверхпроводниковые квантовые симуляторы, нацеленные на задачи нейронных сетей в МФТИ. В стадии разработки находятся симуляторы модели Изинга в Российском квантовом центре.
Мы надеемся, что запущенные и новые симуляторы скоро не только решат много важных научных задач, но и выйдут в практическую плоскость, решая задачи оптимизации, медицины и разработки лекарств, поиска новых материалов и многого другого.
Обложка: Kandinsky 3.1, правообладатель ПАО «Сбербанк»
