Надпровідні, іонні пастки, нейтральні атоми, фотонні, спінові та інші: порівняння модальностей кубітів

Практичне порівняння провідних модальностей кубітів — надпровідних, на іонних пастках, нейтрально-атомних, фотонних, спінових, топологічних і квантового відпалу.

Цю сторінку перекладено з англійської. Назви компаній і продуктів, а також посилання на джерела залишено без змін. Читати оригінал англійською

Різні модальності кубітів переслідують одну й ту саму мету — керовані квантові біти та вентилі, — але спираються на дуже різні інженерні підходи. Одні роблять ставку на технологічність виробництва, інші — на когерентність або якість вимірювання, а ще інші прагнуть вбудованої стійкості до помилок або ж орієнтуються на задачі оптимізації, а не на універсальні обчислення в моделі вентилів.

Чому важлива «модальність кубіта»

Кубіт — це будь-яка керована дворівнева квантова система. На практиці таке широке визначення приводить до дуже різного обладнання: надпровідних схем на чипах, іонів, утримуваних в електромагнітних пастках, нейтральних атомів, організованих оптичними пінцетами, фотонів, що рухаються оптичними мережами, спінів у напівпровідникових пристроях, а також більш спекулятивних систем на основі аніонів.

Ці вибори важливі, тому що корисному процесору потрібні не лише кубіти. Для різних архітектур повторюються ті самі вимоги: можливість ініціалізувати кубіти, застосовувати універсальний набір вентилів, зберігати квантову інформацію достатньо довго для виконання обчислень, точно вимірювати результати та масштабуватися до більших систем. Жодна модальність не домінує за всіма параметрами.

Корисний спосіб дивитися на галузь полягає в тому, що кожна платформа оптимізує своє вузьке місце. Надпровідні системи спираються на усталені технології виробництва чипів і стали домінівним промисловим підходом до створення квантових процесорів. Іонні пастки вирізняються дуже високою точністю операцій. Нейтральні атоми дають щільні, реконфігуровні масиви та сильні взаємодії через ридбергівську блокаду. Фотонні системи виграють від природної придатності фотонів до комунікації. Спінові кубіти намагаються використати масове напівпровідникове виробництво. Топологічні обчислення обіцяють вбудовану стійкість, але експериментально поки лишаються невизначеними. Квантовий відпал знову ж таки відрізняється: він націлений на оптимізацію, а не на повний стек універсальних обчислень у моделі вентилів.

Порівняння в одному огляді

Модальність	Фізичний носій	Як працюють вентилі/взаємодії	Помітні переваги	Основні труднощі або застереження
Надпровідна	Надпровідні схеми мікрохвильового діапазону з джозефсонівськими переходами	Мікрохвильові імпульси для однокубітних вентилів; когерентний обмін або параметричний зв’язок для двокубітних вентилів	Домінівна промислова архітектура; сумісність із твердотільним виробництвом; повідомлялося про процесори з понад 1,000 кубітів	Потребує наднизьких температур; когерентність історично була короткою, хоча суттєво зросла
Іонна пастка	Заряджені атоми, утримувані в електромагнітних полях	Лазери керують однокубітними переходами та зв’язують внутрішні стани зі спільним рухом для заплутування	Фундаментальні операції продемонстровано з найвищою точністю; високоточна ініціалізація та зчитування	Масштабувати багато іонів в одній пастці складно; рух стає дедалі складнішим зі зростанням систем
Нейтрально-атомна	Атоми, охолоджені лазером, часто в оптичних пінцетах	Лазери для однокубітного керування; ридбергівська блокада для вентилів заплутування, таких як CZ	Сильні взаємодії, які можна вмикати й вимикати; повідомлялося про точність однокубітних операцій до 0.999; продемонстровано 48 логічних кубітів	Потребує точного лазерного керування та умов близького розташування для вентилів на основі блокади
Фотонна / LOQC	Фотони в оптичних модах	Елементи лінійної оптики плюс детектори, допоміжні стани, телепортація й виправлення помилок у схемах типу KLM	Природна сумісність із передаванням; універсальні обчислення принципово можливі; добре поєднується із задачами комунікації	Фотони взаємодіють слабо, тому двокубітна логіка може вимагати багато ресурсів і бути недетермінованою
Спінова	Спін електрона або дірки в напівпровідникових пристроях, часто в квантових точках	Обмін через імпульсні міжточкові напруги; локальні обертання спіну для логіки	Може використовувати стандартні для індустрії кремнієві фабрики пластин; деякі пристрої працюють за кількох кельвінів	Потребує жорсткого контролю енергетичних інтервалів, синхронізації імпульсів і декогеренції
Топологічна	Аніони в 2D-системах, де обчислення виконуються через плетіння	Плетіння світових ліній аніонів реалізує вентилі	У принципі стійка до малих похибок траєкторії; пропонований шлях до відмовостійкості	Потрібні неабелеві аніони досі залишаються експериментально спірними
Квантовий відпал	Квантова система, що еволюціонує в часі для оптимізації, часто типу Ізінга	Повільна зміна поперечного поля для пошуку низькоенергетичних розв’язків	Спеціалізований під комбінаторну оптимізацію; комерційні системи існують	Невідомо, чи еквівалентний універсальним квантовим обчисленням у моделі вентилів

Надпровідні кубіти: перевага у виробництві, тягар кріогеніки

Надпровідні квантові обчислення використовують надпровідні електронні схеми, зазвичай мікрохвильового діапазону з джозефсонівськими переходами, побудовані на твердотільних чипах. Джозефсонівський перехід є ключовим некласичним елементом, оскільки його нелінійна індуктивність створює нерівномірне розділення енергетичних рівнів, що дає змогу інженерам адресувати два найнижчі рівні як кубіт.

Найочевидніша перевага цієї модальності — практична придатність до виробництва. Це твердотільний підхід, який запозичує методи виготовлення з традиційного чипмейкінгу. У матеріалі про надпровідні квантові обчислення його описано як домінівний промисловий метод побудови QPU, над яким працюють компанії, зокрема Google, IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti та Intel.

Найбільший компроміс — умови, яких вона потребує. Оскільки надпровідність виникає лише за дуже низьких температур, такі системи мають працювати в надхолодному середовищі. Вони також досі стикаються із загальною проблемою декогеренції. У статті про надпровідні квантові обчислення зазначено, що ранні надпровідні кубіти мали когерентність коротшу за наносекунду, що робило обчислення непрактичними, але за два десятиліття цей показник покращився приблизно на п’ять порядків. Transmon, представлений у 2007 році для зменшення чутливості до зарядового шуму, став домінівною конструкцією й досяг 10–100 мікросекунд когерентності. Кубіт fluxonium перевищив 1 ms у 2021 році, а до 2025 року надпровідні transmon також досягли мілісекундних часів когерентності.

Щодо масштабу, надпровідне обладнання нині лідирує за «сирою» кількістю кубітів: до 2025 року процесори перевищили 1,000 кубітів, а IBM Condor мав 1,121 кубіт. Те саме джерело також згадує заяву Google 2019 року про випадкову вибірку квантових схем на Sycamore та оголошення 2025 року про одну з перших незалежно верифікованих квантових переваг із використанням Willow. Утім, ці демонстрації не закривають ширшого питання про те, яка модальність виявиться найкращою для відмовостійких і корисних обчислень.

Іонні пастки: спершу точність, потім масштабування

Квантові комп’ютери на іонних пастках зберігають кубіти у стабільних електронних станах іонів, утримуваних у вільному просторі електромагнітними полями. Заплутування опосередковується спільним квантуванням руху іонів, а лазери забезпечують керування як однокубітними, так і двокубітними операціями.

Головна привабливість тут — точність. У статті про квантовий комп’ютер на іонних пастках сказано, що фундаментальні операції квантового комп’ютера були експериментально продемонстровані з найвищою точністю саме в таких системах. Ініціалізація через оптичне накачування може перевищувати 99.9% точності, вимірювання — 99.99%, точність однокубітних вентилів може бути більшою за 99%, а реалізації вентилів заплутування також перевищили 99%.

Проблема — масштаб. Кілька іонів в одній пастці взаємодіють через кулонівські сили, і зі збільшенням їх кількості коливальна структура ускладнюється, що робить ініціалізацію та обчислення важчими. Тому ідеї масштабування в цій галузі зосереджені на модульності: транспортуванні іонів між зонами пастки, використанні двовимірних масивів пасток або фотонному з’єднанні віддалених ланцюжків іонів у мережу. Станом на грудень 2023 року найбільший набір із керовано заплутаних частинок, про який повідомлялося, становив 32 іони в пастці.

Це робить іонні пастки сильним кандидатом на універсальні квантові обчислення, але таким, де інженерні зусилля зосереджені радше на архітектурі та системній інтеграції, ніж на доведенні якості базових операцій.

Нейтральні атоми: реконфігуровні масиви й сильна фізика блокади

Квантові обчислення на нейтральних атомах мають деякі спільні риси з іонними пастками, але замінюють заряджені частинки на атоми, охолоджені лазером, якими часто керують у магнітооптичних пастках та оптичних пінцетах. Кубіти кодуються в енергетичних рівнях атомів, готуються оптичним накачуванням, керуються лазерами або полями мікрохвильового діапазону та вимірюються за допомогою флуоресцентної візуалізації.

Їхній фірмовий механізм — ридбергівська блокада. Коли атоми переводять у високолежачі ридбергівські стани, їхні взаємодії можуть ставати на порядки сильнішими. У статті про квантовий комп’ютер на нейтральних атомах наведено конкретну ілюстрацію: на відстані 10 мікрометрів взаємодія між двома атомами в основному стані становить близько 10^-5 Hz, тоді як взаємодія між двома атомами, збудженими в ридбергівський стан, — близько 100 MHz. У режимі блокади збудження одного атома фактично заважає збудженню сусідніх атомів у той самий ридбергівський стан, що створює керований механізм заплутування.

Саме ця сила взаємодії лежить в основі швидких двокубітних керованих вентилів, таких як CZ, тоді як у найсучасніших експериментах точність однокубітних операцій сягала 0.999. У статті про квантовий комп’ютер на нейтральних атомах також сказано, що станом на грудень 2023 року цей підхід було використано для демонстрації процесора з 48 логічними кубітами.

Компроміс тут — складність керування: вентилі на основі блокади залежать від геометрії, розстройки та точності лазерів. Втім, нейтральні атоми вирізняються тим, що поєднують реконфігуровні масиви з рідною взаємодією заплутування, яка стає сильною лише тоді, коли це потрібно.

Фотонні обчислення: природні для комунікації, слабкі на взаємодію

Фотонні, або квантові обчислення на лінійній оптиці, використовують фотони як носії інформації та обробляють їх за допомогою оптичних елементів, таких як дзеркала, дільники променя, фазообертачі, детектори та квантова пам’ять.

Привабливість очевидна. Фотони природно добре підходять для представлення, передавання й детектування квантових станів, що робить фотонні системи особливо цікавими там, де обчислення й комунікація мають існувати в межах однієї рамки. У статті про квантові обчислення на лінійній оптиці також зазначено, що лінійно-оптичні мережі можуть реалізовувати довільні унітарні перетворення і що універсальні квантові обчислення принципово можливі.

Але фотони «майже не взаємодіють» один з одним — і це головний інженерний біль. Тому двокубітну логіку важко реалізувати безпосередньо, і вона може вимагати значних ресурсів. Протокол KLM розв’язував це так: у 2000 році він показав, що універсальні квантові обчислення можна побудувати з елементів лінійної оптики, однофотонних джерел, детекторів, допоміжних станів, телепортації та виправлення помилок, фактично створюючи корисну нелінійну поведінку через вимірювання та post-selection. Це робить LOQC багатообіцяльним, але часто недетермінованим і потенційно неефективним за ресурсами.

У статті про квантові обчислення на лінійній оптиці також відокремлюється boson sampling, який, як вважається, не є універсальним, але використовувався для демонстрацій у стилі квантової переваги.

Спінові кубіти: сумісність із напівпровідниками як стратегія

Квантові обчислення на спінових кубітах зберігають інформацію у спіні носіїв заряду в напівпровідникових пристроях, особливо електронів, локалізованих у квантових точках. Важливий стратегічний момент тут — сумісність із масовим напівпровідниковим виробництвом. У статті про квантовий комп’ютер на спінових кубітах сказано, що спінові кубіти на основі атомів кремнію можуть вироблятися на стандартних для індустрії кремнієвих фабриках пластин, які використовують для виготовлення логічних чипів.

Пропозиція Loss–DiVincenzo використовує імпульсні міжточкові напруги затвора для керування обмінними взаємодіями та локальне маніпулювання спіном для побудови логічних операцій, включно з CNOT, через комбінації вентилів типу swap і поворотів одиночного спіну.

Перевага очевидна: якщо спінові кубіти вдасться масштабувати, вони зможуть спиратися на виробничу інфраструктуру звичайної електроніки. Деякі пристрої також працюють за кількох кельвінів; у статті про квантовий комп’ютер на спінових кубітах це описано як «гарячі кубіти», що може полегшити масштабування порівняно з платформами, яким потрібніше холодніше середовище. Але обмеження жорсткі: енергетичний інтервал має перевищувати теплову енергію, імпульси повинні уникати заселення вищих орбітальних станів, а декогеренція має залишатися повільнішою за виконання вентильних операцій.

Топологічні квантові обчислення: елегантна ідея, невизначена реальність

Топологічні квантові обчислення зберігають інформацію в аніонних станах і виконують вентилі через плетіння світових ліній у просторі-часі. Концептуальна перевага тут — стійкість: малі збурення можуть змінювати деталі траєкторій, не змінюючи топологічний клас плетіння, тож закодована інформація може бути внутрішньо менш чутливою до певних помилок.

Теоретично топологічні квантові комп’ютери можуть зрівнятися за обчислювальною потужністю зі стандартними квантовими комп’ютерами. Але ключове експериментальне застереження дуже серйозне: неабелеві аніони, потрібні для найважливіших версій топологічних обчислень, досі не були експериментально підтверджені у безспірний спосіб. У статті про топологічний квантовий комп’ютер сказано, що заявлені свідчення фізики, пов’язаної з майоранівськими станами, були оскаржені, а принаймні одну гучну заяву 2018 року відкликали у 2021 році.

Тож топологічні обчислення залишаються важливими як ідея відмовостійкості, але поки не перебувають на тому самому практичному рівні, що й надпровідні, іонні, нейтрально-атомні, фотонні або спінові підходи.

Квантовий відпал: не загальна модальність кубітів, але релевантна

Квантовий відпал часто обговорюють поруч із модальностями кубітів, але його краще розуміти як іншу обчислювальну модель. Він спрямований насамперед на задачі оптимізації, особливо комбінаторні задачі з багатьма локальними мінімумами. Метод починається з широкої квантової суперпозиції та повільно змінює поперечне поле, щоб система мала тенденцію завершувати еволюцію поблизу основного стану гамільтоніана задачі.

Квантовий відпал вказує на потенційну перевагу над імітацією відпалу в ландшафтах із дуже високими, але тонкими бар’єрами, де квантове тунелювання може ефективніше допомагати виходити з локальних мінімумів, ніж тепловий рух. Комерційні системи існують: D-Wave оголосила про перший комерційний квантовий відпалювач у 2011 році.

Архітектура D-Wave відрізняється від традиційних універсальних квантових комп’ютерів і не може виконувати алгоритм Shor, оскільки їй бракує точних вентильних операцій і квантових перетворень Фур’є, яких той алгоритм потребує. Твердження про прискорення залишаються залежними від конкретних задач і загалом невирішеними.

То яка модальність «найкраща»?

Чесна відповідь полягає в тому, що «найкраща» залежить від того, що саме ви оптимізуєте. Якщо вам потрібні нинішній промисловий імпульс і великі процесори чипового масштабу, лідирує надпровідна модальність. Якщо вам потрібна найсильніше продемонстрована точність операцій, іонні пастки — надзвичайно переконливий варіант. Якщо вам потрібні реконфігуровні масиви та сильні взаємодії на вимогу, нейтральні атоми — серйозний претендент. Якщо найважливіші мережевість і «літаючі» кубіти, фотоніка має структурні переваги. Якщо пріоритетом є сумісність із напівпровідниковими процесами, спінові кубіти стратегічно привабливі. Якщо вам потрібна внутрішня стійкість до помилок, топологічні ідеї виглядають заманливо, але експериментально ще не доведені. Якщо ваша задача — оптимізація, а не універсальні обчислення, тоді релевантним набором для порівняння може бути квантовий відпал.

Ключові висновки

Модальності кубітів відрізняються насамперед тим, яка фізична система несе кубіт і як інженерно реалізовано взаємодії.
Надпровідні кубіти нині поєднують широке промислове впровадження з великими розмірами процесорів, але потребують екстремальної кріогеніки й досі борються з декогеренцією.
Іонні пастки вирізняються точністю вентилів, ініціалізації та вимірювання, хоча масштабування до великих систем архітектурно дуже складне.
Нейтральні атоми використовують ридбергівську блокаду для створення дуже сильних, керованих взаємодій і підтримують реконфігуровні масиви.
Фотонні обчислення природно узгоджуються з квантовою комунікацією, але взаємодії фотон-фотон слабкі, тому універсальна логіка вимагає багато ресурсів.
Спінові кубіти привабливі тим, що можуть використати традиційне напівпровідникове виробництво, особливо на кремнії.
Топологічні квантові обчислення теоретично пропонують переконливу модель стійкості, але потрібні для них квазічастинки досі залишаються предметом експериментальних суперечок.
Квантовий відпал важливий для оптимізації, але його не слід плутати з універсальними квантовими обчисленнями в моделі вентилів.