В этом году в России был создан самый мощный отечественный квантовый компьютер с общим количеством кубитов 50. Его разработкой ученые занимались в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной отрасли «Квантовые вычисления», которую координирует госкорпорация «Росатом», сообщает Хайтек.
Благодаря паритетному финансированию государства и госкорпорации в России разрабатываются квантовые компьютеры на всех четырех платформах, которые считаются в мире приоритетными — на ионах, сверхпроводниках, нейтральных атомах и фотонах. Подобными разработками обладают только три страны мира — Россия, Китай и США.
Российские разработчики в серии авторских колонок рассказывают о том, чем квантовые компьютеры, или квантовые вычислители, как их называют сами ученые, отличаются от классических и какие особенности и ограничения есть у каждой из платформ и подходов.
О квантовых вычислителях на сверхпроводниках рассказывает Илья Симаков, научный сотрудник группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» Российского квантового центра, инженер Лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС.
Чем квантовый компьютер отличается от классического?
В основе как квантового, так и классического компьютеров лежит квантовая физика. Главным элементом современных процессоров является транзистор, принцип работы которого корректно объясняется именно с точки зрения квантовой механики. Однако фундаментальное отличие квантовых вычислений от классических заключается в принципиально ином устройстве логики обработки и представлении информации. Именно поэтому невозможно напрямую использовать классические алгоритмы на квантовом «железе» и параллельно с созданием квантового компьютера необходимо также разрабатывать алгоритмы для них.
Что такое кубит?
Основным логическим объектом классического вычислительного устройства является бит — физическая система, находящаяся в состоянии 0 или 1, над которой можно проводить логические операции. В квантовом компьютере единицей информации служит квантовый бит, или кубит. Он может находиться в состояниях 0 и 1, а также с некоторой вероятностью одновременно в обоих состояниях, что называется суперпозицией. Кроме того, квантовые системы могут находиться в запутанном состоянии, то есть состояние одного кубита будет зависеть от состояния другого. Именно явления суперпозиции и запутанности создают уникальные возможности для вычислений.
8-кубитный квантовый процессор в держателе. Фото: пресс-служба МИСИС
Как создать кубит?
На практике кубит можно реализовать с использованием различных физических эффектов, и одной из самых успешных платформ для квантовых вычислений сегодня является сверхпроводниковая.
Идея создания кубита с помощью сверхпроводников заключается в следующем: мы можем взять обычный электрический колебательный контур, состоящий из емкости и индуктивности, знакомый каждому со школьной скамьи. Если уменьшить такой контур до размеров порядка нескольких десятков микрометров и охладить его до сверхнизких температур, он приобретает квантовые свойства.
Это означает, что система может находиться только в строго определённых равноудалённых энергетических состояниях. Для наглядности можно привести аналогию: представьте, что вы поднимаетесь по пологому склону и можете остановиться на любом уровне. В отличие от этого, при подъеме по лестнице вы можете наступать только на определенные, заранее сделанные строителем ступеньки. Так же и квантовая система может находиться только на определенных энергетических уровнях.
Теперь необходимо научиться управлять этой системой. Мы можем подавать на колебательный контур электрические импульсы, несущие энергию, необходимую для перехода между состояниями (перескока между ступеньками). Однако, поскольку расстояния между соседними уровнями в нашей системе одинаковы, возникает неоднозначность: например, один и тот же импульс может вызвать переход с первого уровня как на нулевой, так и на второй, что нежелательно.
В этой на первый взгляд безвыходной ситуации на помощь приходит эффект Джозефсона. Чтобы понять его суть, нужно представить себе систему из двух металлических проводов, между которыми находится диэлектрик. Из-за разрыва в цепи через такую систему электрический ток не потечёт. Однако если использовать сверхпроводящие металлы и очень тонкий слой диэлектрика в несколько нанометров, то при очень низких температурах через такое соединение начнет протекать электрический ток.
Этот физический эффект назван в честь британского физика и нобелевского лауреата Брайана Джозефсона, а контакт «сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник» называется джозефсоновским. Особенность такого контакта заключается в его нелинейных свойствах, что позволяет изменять потенциал системы и, следовательно, делать расстояния между уровнями квантовой системы различными. Теперь, посылая в систему сигнал, соответствующий разнице энергий выбранных состояний, мы можем возбуждать переход между нужным нам уровнями.
Джозефсоновский переход часто называют сердцем сверхпроводниковых кубитов, а сами кубиты — искусственными атомами. Изменяя конфигурацию и параметры электрического колебательного контура, можно значительно модифицировать энергетический спектр системы, что позволяет управлять ее свойствами.
Схема трансмона: кубит-трансмон состоит из сверхпроводникового джозефсоновского контакта и дополнительного конденсатора, регулирующего емкость цепи так, чтобы система была одновременно управляемой и достаточно стабильной. Источник: Отчет «Российский квантовый центр 2021–2023»
Какие задачи будет решать квантовый компьютер?
Теперь, когда мы разобрались, что такое кубит и как создавать кубиты, важно понять, для каких задач квантовые компьютеры будут наиболее эффективными. В первую очередь это задачи оптимизации и шифрования. Крупные корпорации уже сейчас внедряют квантовые алгоритмы для решения логистических задач. Одним из самых революционных применений станет использование квантовых компьютеров в области материаловедения и химии.
Изначально концепция квантовых вычислений возникла для моделирования сложных квантовых систем, и в этих задачах квантовые компьютеры будут гораздо эффективнее классических. Наконец, стоит отметить новую область квантового машинного обучения, где квантовые компьютеры могут значительно превосходить классические при правильном использовании. Это направление выглядит наиболее успешным в краткосрочной перспективе, так как для решения таких задач нужно лишь несколько сотен кубитов, в то время как для других задач потребуется значительно больше мощностей.
Мы уже достигли квантового превосходства?
Да, в 2019 году научная группа компании Google выполнила на своем 53-кубитном процессоре алгоритм, который занял считанные минуты, в то время как его выполнение на классическом компьютере потребовало бы годы. Правда, стоит уточнить, что алгоритм решал специфическую математическую задачу, не имеющую практического применения. Однако факт остаётся фактом: квантовый компьютер продемонстрировал свою эффективность по сравнению с классическим.
Работа вызвала широкий резонанс в мировом научном сообществе. В последующие несколько лет были предложены улучшения методов решения этой задачи на классическом компьютере, благодаря чему удалось сократить время выполнения с 10 лет до нескольких недель. Тем не менее, это по-прежнему заметно превышает три минуты, потребовавшиеся квантовому процессору. В 2021 году китайские исследователи реализовали тот же алгоритм на сверхпроводниковом процессоре Zuchongzhi, используя всего на три кубита больше, чем Google. При этом даже с помощью усовершенствованного алгоритма и лучшего классического суперкомпьютера потребуется около 8 лет для выполнения этой задачи.
Сегодня перед учеными стоит новая цель: показать, что квантовый компьютер может решать не только «искусственные» задачи быстрее классического, но и продемонстрировать квантовое превосходство на прикладных задачах.
Как быть с квантовыми ошибками?
Основным препятствием на пути к практическому применению квантовых компьютеров является недостаточно высокая точность квантовых операций. Современные кубиты ошибаются в среднем раз на тысячу операций, в то время как для полезных алгоритмов требуется значительно более высокая точность.
Борьба с квантовыми шумами сейчас является приоритетом для ведущих научных лабораторий по всему миру. Одним из наиболее перспективных способов решения этой проблемы являются коды коррекции квантовых ошибок. Это специальные алгоритмы, при которых часть физических кубитов хранит информацию о так называемых логических кубитах, а другая часть используется для выявления и исправления возникающих ошибок.
Если физические кубиты достаточно качественные, то количество кубитов, вовлеченных в коррекцию, может быть использовано для повышения качества хранения и обработки квантовой информации. Летом 2024 года все тот же научный коллектив компании Google опубликовал работу, в которой продемонстрировал экспоненциальное подавление квантовых ошибок при использовании большего числа физических кубитов. Это можно считать экспериментальным подтверждением того, что мы можем технически масштабировать квантовые системы на сверхпроводниках до размеров, пригодных для полезных вычислений.
Криостат растворения, внутрь которого погружается образец (процессор). Фото: пресс-служба МИСИС
Есть ли в России квантовый компьютер на сверхпроводниках?
Да, в России есть несколько квантовых компьютеров на сверхпроводниках. В 2023 году ученые Российского квантового центра совместно с коллегами университетов МИСИС и МФТИ разработали 8-кубитный универсальный сверхпроводниковый процессор и 12-кубитный симулятор. К концу 2024 года планируется представить 16-кубитный сверхпроводниковый квантовый процессор с облачным доступом.
На сверхпроводниковых кубитах были достигнуты рекордные для России точности двухкубитных операций — свыше 99%, а также выполнены квантовые алгоритмы, состоящие из более чем 50 последовательных операций. Также сделаны первые шаги в детектировании и исправлении квантовых ошибок. Кроме того, на квантовом симуляторе был предложен и успешно реализован алгоритм квантового машинного обучения.
В 2024 году МГТУ им. Баумана представил 4-кубитный квантовый процессор. Область сверхпроводников активно поддерживается и развивается в нашей стране, а российские ученые публикуют свои работы в ведущих мировых журналах, разрабатывая новые виды кубитов, способы выполнения квантовых операций, новые квантовые алгоритмы и коды коррекции.
Чего можно ожидать в ближайшие пять лет от квантовых вычислений?
В ближайшие пять лет может произойти значительный прогресс в разработке квантовых компьютеров. Мы увидим улучшение точности квантовых операций, увеличение числа кубитов в процессорах и развитие методов коррекции ошибок.
Эксперты прогнозируют, что квантовое превосходство будет продемонстрировано для практических задач, таких как обработка данных методами машинного обучения, разработка новых материалов и моделирование химических реакций.
Квантовые алгоритмы начнут находить более широкое применение в различных отраслях, включая финансовые технологии и искусственный интеллект. Это создаст новые возможности как для научных исследований, так и для промышленности.
Важно интересоваться квантовыми вычислениями уже сейчас, чтобы быть готовыми к их внедрению в повседневную жизнь и профессиональную деятельность.
