Великий вычислитель: в РФ создан восьмикубитный квантовый процессор на полупроводниках

Российские ученые собрали и испытали первый в нашей стране восьмикубитный квантовый процессор из сверхпроводников. В ходе экспериментов он показал точность вычислений выше 95%. Разработка всё более мощных чипов приближает специалистов к созданию квантового компьютера, возможности которого будут намного превосходить современные электронные вычислительные машины. По словам экспертов, несмотря на то, что полученный результат намного скромнее, чем у мировых лидеров, работающих с десятками и сотнями кубитов, его можно считать большим успехом, который открывает возможности для дальнейшего развития технологии.

Гонка за кубитами

Специалисты НИТУ МИСИС вместе с коллегами из МФТИ и Российского квантового центра разработали и протестировали первый в нашей стране квантовый процессор, состоящий из восьми сверхпроводниковых кубитов. В ходе испытаний устройство показало высокую точность расчетов, которая превысила 95%.

Созданием квантовых процессоров сегодня занимаются исследователи во всём мире. Это вычислительное устройство, которое использует для обработки информации явления квантовой механики. В будущем оно должно стать основой для квантового компьютера, который будет способен выполнять задачи, недоступные современным вычислительным машинам. Это могут быть, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические вычисления. Если в обычном компьютере единицей количества информации служит бит — символ, который либо включен, либо выключен, то в квантовом это кубит. Он может находиться в двух состояниях одновременно. Это и открывает новые возможности для создания инновационных вычислительных устройств.

Как пояснили разработчики, кубиты в процессоре могут иметь разное материальное воплощение. Например, для этого используют ионы, фотоны света или нейтральные атомы. У каждого из этих решений есть свои преимущества и недостатки, так как в зависимости от типа устройства оно может лучше справляться с одними задачами и хуже с другими. Однако наиболее универсальными и эффективными сегодня считаются процессоры на основе сверхпроводников. К ним относится и самый мощный в мире 433-кубитный квантовый процессор Quantum Condor от компании IBM. И 80-кубитный процессор от компании Rigetti.

— Мы получили достойный результат. В нашем процессоре восемь кубитов, но по точности двухкубитных операций он превосходит, например, 80 кубитный процессор ранее представленный компанией Rigetti, занявший второе место в мире по количеству физических кубитов среди сверхпроводниковых процессоров. Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. В простейшем случае, квантовый объем пропорционален произведению числа кубитов на число квантовых операций, которые можно выполнить с относительно малым количеством ошибок. Поэтому достижение высокой точности выполнения квантовых логических операций отдельными кубитами играет не менее важную роль, чем увеличение их количества в квантовом процессоре, — рассказала старший научный сотрудник лаборатории криоэлектронных систем и соучредитель дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС Наталия Малеева.

Одно из преимуществ сверхпроводников — возможность создавать кубиты с заданными свойствами и произвольно выбирать частоты и длинны волн, с которыми разработчик хочет иметь дело. При работе с атомами или ионами это невозможно. К тому же в сверхпроводниковом процессоре кубиты легко могут взаимодействовать между собой. Чипы на их основе хорошо справляются как с длинными, так и с короткими цепочками вычислений, рассказали ученые.

Так как квантовый процессор использует для расчетов атомные и субатомные частицы, нормально работать он может только при сверхнизкой температуре. По этой причине эксперимент с процессором провели в криостате растворения в лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС. Устройство позволяет охлаждать образцы до 20 мК и меньше, то есть достигать температур в 100 раз ниже, чем в открытом космосе. Исследование было проведено в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», разработанной госкорпорацией «Росатом».

— Это важный результат для реализации дорожной карты. У нас ведутся исследования по всем четырем основным платформам, на которых строятся квантовые процессоры. Однако одними из первых моделей в мире были именно квантовые компьютеры на сверхпроводниках, и важно отметить, что наши ученые достигли определенных успехов в этом направлении, — сказал советник генерального директора госкорпорации Руслан Юнусов.

Кубитная математика

Опыт показывает, что первые шаги в технологии являются самыми непростыми: перейти от четырех кубитов к восьми в каком-то смысле сложнее, чем от восьми к 16, пояснил заместитель директора ЛИЦ «Национальный центр квантового интернета» ИТМО Владимир Егоров.

— По квантовым компьютерам мы пока что в догоняющих, но и это можно обратить в свою пользу. Кроме таланта наших исследователей на этой стадии нам помогает и то, что мы можем смотреть, какие подходы в мире оказались наиболее удачными, а какие, наоборот, завели в тупик, что ускоряет прогресс, — сказал он.

Квантовый компьютер и на восемь, и на 80 кубитов далек от реальных практических применений, но, когда их количество перевалит некий предел, устройство получит реальное превосходство над электронными для многих специализированных вычислений, добавил специалист.

В России до последнего времени ситуация с развитием квантовых компьютеров была плачевная, считает он. По его словам, сейчас одновременно развиваются несколько платформ, которые, с одной стороны, показывают неплохой темп развития. А с другой, проходят тот путь, который в мире уже прошли. При этом, судя по информации из общедоступных источников, по ряду платформ уже показан неплохой уровень.

— Квантовый компьютер на сверхпроводниках сейчас самая развитая технология в мире. Тот же IBM имеет компьютер с 433 кубитами. Коллеги сделали восемь, но это только первый результат. Наращивание числа кубитов, когда технология отработана и дает какой-то результат, потом идет существенно быстрее. В данном случае как раз сделан этот первый важный шаг, когда не просто задумывают, а уже сделали работающий компьютер по понятной технологии. А дальнейшее развитие пойдет, наверняка, значительно быстрее, — полагает специалист.

Дальнейшие исследования ученых будут направлены на увеличение вычислительной мощности процессора. Они намерены не только наращивать количество кубитов, но и повышать точностью выполнения логических операций с ними. Эта работа будет вестись в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе «Приоритет 2030».