Мировые лидеры в кудитах

Ученые Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) оценили ключевые характеристики первого российского 50-кубитного квантового компьютера, построенного по технологии холодных ионов. По некоторым параметрам он превосходит мировые аналоги

Компьютер создан специалистами ФИАНа в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» под эгидой госкорпорации «Росатом». Разработка стартовала в 2020 году. Исследователи начинали практически с нуля и при этом за столь короткий срок смогли догнать лидеров отрасли. Причем система по своим характеристикам не уступает аналогам, а по ряду параметров и превосходит их.

У квантовых вычислителей существует несколько базовых характеристик: количество кубитов, их связность, достоверность одно- и двухкубитных операций. Есть и более интегральные метрики мощности, такие как квантовый объем или количество алгоритмических кубитов. Однако из-за многообразия платформ, на которых можно реализовать вычислитель, чаще для сравнения прибегают к базовым параметрам.

«Если сравнивать нашу систему с мировыми лидерами (IonQ, Quantinuum), то по количеству кубитов мы на одном уровне (36 и 56 кубитов). Так же как у лидеров, система обладает полной связностью, когда любой кубит можно перепутать с любым за один такт вычислителя. По качеству однокубитных операций немного уступаем (0,9996 против 0,99997), по качеству двухчастичных операций уступаем пока что посильнее (0,93 против 0,99895). Однако мы используем более элегантный подход кодирования информации, когда каждый ион благодаря дополнительным энергетическим уровням представляет собой не один, а два кубита. Такой метод кодирования позволяет при тех же характеристиках выполнять часть алгоритмов с большей достоверностью», — рассказал «Стимулу» один из авторов разработки, научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАНа Александр Борисенко.

В России были созданы еще несколько квантовых вычислителей на различных платформах. К примеру, в МГУ установлены устройства на нейтральных атомах и фотонах, а сверхпроводниковые компьютеры можно найти в МИСиС, МФТИ и МГТУ им. Н. Э. Баумана. «Наш процессор выделяется бóльшим числом кубитов и полной связностью, в то время как с точки зрения точности запутывающих операций мы все еще уступаем сверхпроводниковым коллегам», — рассказал в беседе со «Стимулом» другой автор проекта, научный сотрудник лаборатории «Распределенные квантовые технологии для задач машинного обучения» ФИАНа Илья Заливако.

Отметим также, что в июне в России запущена первая в стране открытая онлайн-платформа квантовых вычислений — разработка Института информационных технологий РТУ МИРЭА. Инструментом может бесплатно воспользоваться любой желающий. Университетам ресурс поможет готовить специалистов в квантовой сфере. А промышленные предприятия и коммерческие компании получат возможность тестировать квантовые вычисления и оценивать потенциал их внедрения в свои производственные процессы.

«Мне кажется, такие платформы очень важны, так как дают широкому кругу пользователей возможность познакомиться с тем, как работают квантовые вычисления, и понять, как они могли бы помочь им в их деятельности. В рамках дорожной карты по развитию квантовых технологий подобная платформа была также создана Российским квантовым центром, и с ее помощью можно, к примеру, запускать алгоритмы на нашем компьютере. Однако эта платформа, в отличие от разработки МИРЭА, пока работает в закрытом режиме», — говорит Илья Заливако.

Охлажденные ионы

В своем 50-кубитном квантовом компьютере специалисты ФИАНа в качестве кубитов использовали цепочку из 25 ионов иттербия-171, захваченных в ионную ловушку Пауля. Технология ионных кубитов основана на применении электромагнитных полей для захвата ионов в пространстве. Эти частицы подвешены в ловушке и остаются практически неподвижными, что снижает внешние помехи и позволяет удерживать их квантовое состояние дольше, чем в других системах. Ионы охлаждаются лазерами почти до абсолютного нуля. В таком состоянии кубитами управляют посредством лазерных импульсов. Квантовые алгоритмы — это последовательности таких воздействий.

 «Наш процессор выделяется бóльшим числом кубитов и полной связностью, в то время как с точки зрения точности запутывающих операций мы все еще уступаем сверхпроводниковым коллегам»

«С ионными ловушками Пауля наша команда научилась работать около десяти лет назад, когда мы делали несколько сверхточных часов на основе захваченных одиночных ионов, — вспоминает Александр Борисенко. — Эти проекты позволили получить необходимый опыт и сформировать дружную и сильную команду. В то же время удавалось много ездить на международные конференции, участвовать в совместных лабораторных исследованиях, что также эффективно развивало нас как научных сотрудников. У нас были и сейчас есть опытные и поддерживающие наставники, помогающие в сложных ситуациях, и хорошее место, где можно работать. Поэтому, когда появилась возможность создавать квантовый компьютер, наша команда органично включилась в гонку».

Помимо ионных систем из наиболее перспективных направлений можно выделить компьютеры на основе нейтральных атомов, сверхпроводниковые и фотонные вычислители. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки и очень активно развивается. К примеру, на системах из нейтральных атомов можно получать большое число кубитов, на ионах достигается самое большое время когерентности и точность операций, сверхпроводниковые системы отличаются наибольшей скоростью вычислений, а фотоны позволяют эффективно реализовывать распределенные вычисления.

«Наш выбор был обусловлен двумя причинами, — рассказывает Илья Заливако. — Во-первых, мы уже имели опыт работы с ионами в ловушках в ходе создания оптических часов, поэтому эта технология была нам хорошо знакома. Во-вторых, на момент начала работ ионы были лидерами среди всех других платформ практически по всем характеристикам, кроме числа кубитов и скорости операций. Сейчас по ряду показателей ионы соревнуются с нейтральными атомами, однако все еще самый мощный компьютер с точки зрения квантового объема создан на ионах».

Преимущества квантового бита

Кубиты — наименьшая единица информации квантового мира, именно на них выполняются квантовые вычисления, запускаются алгоритмы. Кубит (от англ. quantum bit — квантовый бит) — аналог привычного всем бита. И если обычный бит может иметь значение или ноль, или единица, то кубит может находиться в состояниях 0, 1, либо где-то между ними. Это называется суперпозицией состояний 0 и 1. Обычный компьютер перебирает варианты последовательно, один за другим. А квантовый может выполнять вычисления всех необходимых вариантов одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам обрабатывать огромное количество информации и решать задачи, непосильные для классического вычислителя.

Важным свойством квантовой механики является то, что если мы попробуем измерить состояние кубита, то оно обязательно коллапсирует либо в 0, либо в 1, с некоторой вероятностью. И здесь стоит пояснить еще одно свойство кубитов — запутанность. Это такое квантово-механическое явление, когда состояния двух кубитов взаимосвязаны друг с другом.

 «С ионными ловушками Пауля наша команда научилась работать около десяти лет назад, когда мы делали несколько сверхточных часов на основе захваченных одиночных ионов»

«Представим, что мы произвели над парой кубитов какие-то квантовые операции, а затем измеряем их состояния. Если каждый раз оба эти кубита случайным образом измеряются то в 0, то в 1, но при этом их состояния все время оказываются одинаковыми, то мы говорим, что эти кубиты запутаны между собой. Несмотря на кажущуюся простоту, — это очень важное явление, лежащее в основе квантовых вычислений. К примеру, запутанные частицы можно использовать для телепортации состояний кубитов на большие расстояния. Запутывающие операции из незапутанной пары кубитов делают запутанные. Совершить их довольно трудно, так как важно заставить кубиты провзаимодействовать друг с другом и при этом не “подсмотреть” их состояние, чтобы они не сколлапсировали в процессе», — рассказывает Илья Заливако.

Для выполнения алгоритма его раскладывают на элементарные операции, которые реализуются либо на одном, либо на нескольких кубитах в регистре. Однокубитные операции позволяют привести выбранный кубит к определенному состоянию (нулю/единице/суперпозиции). Такие операции, как правило, выполняются с высокой точностью. Многокубитные операции выполнять сложнее, они имеют меньшую достоверность, однако позволяют создавать запутанное состояние нескольких кубитов как единого целого, когда уже нельзя отделить состояние одного кубита от общего. И, как мы уже отметили, результат измерения одного из «сцепленных» кубитов будет зависеть от того, какой был результат измерений другого.

«Запутанные кубиты чувствуют, что их компаньона измерили, моментально, независимо от расстояния между ними, — поясняет Александр Борисенко. — В макромире между телами такие свойства не проявляются, поэтому запутанность может казаться контринтуитивной. В качестве частичной аналогии кубита можно рассмотреть монетку. Тогда запутанное состояние двух монеток можно представить как их полет в воздухе, когда они падают всегда одинаково: если первая упала орлом наверх, то и вторая приземлится так же».

Больше чем кубиты

По словам ученых, на уровне до полусотни кубитов ионные вычислители пока что наиболее совершенные среди квантовых устройств. При их создании одна из самых сложных задач — научиться делать запутывающие операции, ведь нужно заставить кубиты взаимодействовать друг с другом контролируемым образом. Еще один вызов — увеличение числа кубитов без потери качества и скорости операций.

Одна из особенностей подхода специалистов ФИАНа — применение систем, в которых ион может находиться не в двух состояниях, как в кубитах, а в четырех, что позволяет сохранять и обрабатывать больше информации. Для пояснения введем еще одно понятие — кудит. Это квантовый объект, в котором число возможных состояний (уровней) больше двух. Он является расширенной версией кубита и оперирует состояниями одновременно логического нуля, единицы и дополнительных логических значений. Кудиты могут находиться в трех (кутриты), четырех (кукварты), пяти (куквинты) и более собственных состояниях. Эти состояния позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях и запускать более сложные и комплексные квантовые алгоритмы. Таким образом, возрастает мощность квантового процессора и операции могут производиться значительно быстрее.

Архитектура с применением куквартов выгоднее для некоторых квантовых алгоритмов, и, чтобы реализовать ее, ученые ФИАН предложили ряд оригинальных научных и технических решений. К примеру, разработали новый способ защиты кудитов от декогеренции — процесса разрушения квантового состояния из-за воздействия на квантово-механическую систему окружающей среды. Защита от декогеренции в случае с кудитами особенно важна, поскольку они, как более сложные системы, сильнее подвержены разрушению. Были также внедрены новые методы охлаждения ионов, фильтрации шумов лазера и многие другие инновации.

На грани квантового превосходства

В процессе испытаний ученые использовали задачи, которые в будущем позволят проводить реальные квантовые расчеты. В том числе осуществили алгоритмы Гровера, которые предполагают поиск по неупорядоченной базе данных, рассчитали структуру нескольких молекул и провели симуляцию ряда динамических систем.

Помимо этого специалисты ФИАНа применили ионный процессор для решения прототипов практически полезных задач. Так, в ходе эксперимента они обучили нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр с использованием квантового компьютера. В будущем эта технология может применяться, к примеру, для быстрого поиска новых эффективных молекул, распознавания лиц, проверки ДНК и множества других операций. 

 Архитектура с применением куквартов выгоднее для некоторых квантовых алгоритмов, и, чтобы реализовать ее, ученые ФИАНа предложили ряд оригинальных научных и технических решений

«Разработанный в нашем институте квантовый компьютер не просто экспериментальный прототип. Это полноценная платформа для проведения исследований и решения задач. Следующий этап развития системы связан с повышением точности операций и времени когерентности. Помимо этого мы продолжаем изучать новые подходы к использованию кудитов, и в этом мы одни из лидеров в мире. Осваиваем также подходы к масштабированию устройств и их серийному производству», — отметил академик РАН Николай Колачевский, директор ФИАНа. 

Он подчеркнул, что создание коммерческих квантовых компьютеров должно стать итогом следующего этапа реализации дорожной карты. Разработка таких систем потребует их компактизации и автоматизации. Вместе с тем серийные вычислители должны обладать большей надежностью и не требовать постоянного обслуживания. 

«На данный момент сложность алгоритмов, которые мы можем запускать, ограничивает точность запутывающих операций, — говорит Илья Заливако. — У нас есть ряд идей, как ее повысить, так что впереди еще много работы и исследований. Прогнозировать, когда будут созданы коммерческие квантовые компьютеры, пока довольно сложно, учитывая, что еще ни один квантовый компьютер в мире не преодолел тот уровень мощности, который способен дать пользователю существенное экономическое преимущество. Хотя они и находятся на грани квантового превосходства. Развитие в этом направлении идет с огромной скоростью, так что я надеюсь, что в течение ближайших десяти лет квантовые компьютеры займут свое место в мировой экономике».

Научная статья, в которой описаны результаты работы, опубликована в журнале «Успехи физических наук» — ведущем отечественном академическом издании, посвященном актуальным проблемам физики.