Как российские ученые устроили свою квантовую гонку

Фото: МФТИ

В России началась квантовая гонка между исследовательскими командами. Несколько научных групп стремятся создать передовой квантовый процессор и догнать зарубежных коллег. Например, недавно российские ученые из МФТИ и НИТУ «МИСиС» впервые в России продемонстрировали квантовый процессор на четырех кубитах. Однако похожий процессор уже представляли сотрудники Российского квантового центра (РКЦ) в 2021 году, но на куквартах. В США в это время уже создали процессор на 433 кубитах. «Газета.Ru» разобралась, чем отличаются разработки российских физиков, какой вид процессоров лучше, а также когда Россия догонит другие страны в области квантовых технологий.

Квантовая гонка

Квантовые технологии — это перспективное научное направление, одной из целей которого является создание квантового компьютера. В отличие от классического компьютера, квантовый в расчетах использует кубиты, а не биты. Кубиты — это квантовые биты в суперпозиции, то есть они могут находиться сразу в двух состояниях.

«Это можно сравнить с броском монетки: пока она летит, для бросавшего она остается и орлом, и решкой. Эта суперпозиция сохраняется, пока не поймать монетку или не произвести вычисление кубита. Именно благодаря этой особенности расчеты на квантовых системах производятся быстрее, чем на классических», — отметил в разговоре с «Газетой.Ru» старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Федоров.

В России, как и во всем мире, ученые пытаются создать квантовый компьютер, но все пошли разными путями.

Так, в 2022 году физики МФТИ совместно с коллегами из НИТУ «МИСиС» впервые продемонстрировали полноценный действующий четырехкубитный квантовый процессор, на котором при помощи специальных прецизионных (высокоточных) методов была подтверждена высокая точность операций. В 2021 году сотрудники Российского квантового центра и ФИАН уже представили на заседании Научного совета РАН подобный квантовый процессор, но на двух ионах в ловушке (куквартах).

По словам сотрудников РКЦ, тогда ученые одни из первых в мире создали процессор на двух куквартах — многоуровневой квантовой системе, полностью эквивалентной четырем кубитам. Препринт научной публикации появился на сайте arXiv.org в октябре 2022 года. Однако в МФТИ отмечают, что в 2021 году технических деталей, подтверждающих это, представлено не было.

Сейчас научная группа из МФТИ и НИТУ «МИСиС» занимается созданием 8-кубитной системы, которую планирует представить до конца этого года. К 2024 году запланирована разработка 16-кубитной системы. В РКЦ и ФИАН собираются в следующем году представить новую версию процессора, уже на 16 кубитах.

«Сверхпроводниковые системы, с которыми мы работаем в МФТИ, фактически тоже являются многоуровневыми квантовыми системами, однако никто в мире не использует их для кодирования нескольких кубитов, поскольку это сопряжено со значительными техническими трудностями: нужно предотвращать утечки на верхние уровни. Думаю, что касается ионов в ловушках, дело обстоит примерно таким же образом», — отметил старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Алексей Дмитриев.

Кроме этих научных групп, квантовый процессор разрабатывается в МГУ — там ученые в том числе работают на атомах.

«В нашем случае роль физического кубита играет атом, пойманный в маленькую лазерную ловушку — оптический пинцет. Состояния кубита кодируются в относительную ориентацию спина электрона и атомного ядра: они либо направлены одинаково (1), либо противоположно (0)», — объяснил руководитель сектора квантовых вычислений ЦКТ МГУ Станислав Страупе.

По словам Страупе, научная группа работает над созданием 16-кубитного процессора, официально представить который планирует в следующем году.

Что же лучше?

Несмотря на то, что на первый взгляд все системы выглядят одинаково, у всех них есть свои плюсы и минусы. Так, например, сверхпроводниковые квантовые системы позволяют масштабировать квантовые процессоры — то есть увеличивать количество кубитов в них. На данный момент наибольшее количество полностью контролируемых кубитов достигнуто именно в сверхпроводниковых процессорах — так, IBM заявляет о полностью управляемой схеме с более чем 400 кубитами.

Атомные и ионные квантовые компьютеры также можно масштабировать за счет отсутствия микросхем. По словам специалистов из РКЦ и МГУ, это делать проще.

«Количество сверхпроводниковых систем в схеме на чипе может быть сделано сколь угодно большим, никаких технических ограничений на этот счет нет, более того, можно связывать кубиты на разных чипах и даже в разных криостатах, используя специальные криогенные связи. С другой стороны, число атомов, захваченных оптическим пинцетом, не может быть произвольно большим, область захвата ограничивается пятном фокусировки лазерного луча», — отмечает Глеб Федоров.

При этом Страупе отметил, что у сверхпроводящих процессоров есть электрическая схема, которая определяет потолок количества кубитов.

«Это число строго фиксировано. Наши атомы живут в оптических ловушках, и число атомов определяется тем, сколько мы можем захватить. Можно больше, можно меньше. Это легко реконфигурируемая модель, поскольку в ней нет чипа, атомы просто висят в воздухе», — объяснил Страупе.

Кроме того, у технологий различается и время жизни. Жизнь квантовых битов — это время, в течение которого кубиты остаются в суперпозиции. Оно называется «временем когерентности». Ключевую роль играет количество операций, которое можно выполнить за время когерентности кубитов. Чем больше этот параметр, тем больше способность кубита выполнять сложные задачи.

Так, например, срок жизни кубитов в представленном сотрудниками МФТИ и НИТУ «МИСиС» процессоре — 20 микросекунд, отдельные операции же занимают 10−15 наносекунд. У ионного процессора РКЦ и ФИАН — целых 5 миллисекунд, у МГУ — тоже несколько миллисекунд.

Технология МФТИ на сегодняшний день является самой точной в России — точность расчетов достигает 97%. До конца 2022 года ученые МФТИ изготовят и представят 8-кубитную систему. В 2023 году показатель точности операций будет увеличен до 99%.

«Важно отметить, что наши результаты точности уже вплотную приблизились к мировому уровню. Также нужно подчеркнуть, что большое количество групп в мире имеют схожие результаты на разных типах сверхпроводниковых кубитов, что подтверждает высокий потенциал этой платформы», — отмечает Дмитриев.

В прошлом году точность расчетов 4-кубитной ионной системы РКЦ и ФИАН составляла 70%.

«Мы ожидаем, что порог в 90% точности преодолеем с выходом нового процессора, однако все равно можем отставать от коллег в этом показателе», — отметил заместитель руководителя научной группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ Илья Семериков.

Процессор МГУ пока также не может догнать «коллег» из МФТИ. Качество операций составляет около 70%, сообщил Страупе.

«Мы пока процессор не представляли, так как работаем над улучшением точности — наша задача достигнуть 99,9%. Может быть, в следующем году его представим. Проблема в шумах от лазера. Для увеличения числа кубитов нужен более мощный лазер, но он пока изготавливается компанией», — рассказал Страупе.

Несмотря на различия в подходах, все научные группы подчеркивают важность развития всех вариантов реализации квантовых систем. По словам ученых, это позволит не отставать от западных коллег, которые значительно обогнали Россию в квантовых разработках.

Зачем нужен квантовый компьютер

Развитие квантовых технологий позволит решать многие задачи современных компьютеров эффективнее и быстрее. Например, квантовые компьютеры можно будет применять для сверхбыстрого поиска по базам данных, компьютерного моделирования, факторизации чисел для взлома алгоритмов шифрования, а также квантового машинного обучения ИИ.

Кроме того, квантовый компьютер можно использовать для расчета больших органических молекул для лекарственных препаратов, построения оптимальных маршрутов автомобилей или оптимизации инвестиционного портфеля.

«Квантовый компьютер сможет делать это гораздо эффективнее и быстрее текущих алгоритмов. Количество применений огромное, но пока это все умозрительно. Устройства еще нет. Когда появится, тогда люди придумают и новые задачи. Мне кажется, что даже компьютера от IBM с 433 кубитами недостаточно. Нужны тысячи кубит», — рассказал Страупе.

По словам Семерикова, пока никто не знает, как построить настолько мощный квантовый компьютер, который смог бы реализовать все эти задачи.

«Это то, над чем сейчас бьются все. Пока мы не знаем, когда создадим такой компьютер, давать какие-то оценки касательно сроков его изобретения я не решусь, но это определенно возможно», — подчеркнул Семериков.

По словам специалистов, недостаточное количество оборудования может сдерживать темп развития индустрии. Для работы нужны криостаты, лазеры и литографы. Часть этого оборудования можно купить у других стран, однако сегодня инженеры и исследователи работают над точечным локальным производством.

«В России эта область квантовых технологий менее развита, ее начали активно изучать только в 2015 году, а на Западе на 20 лет раньше. Важно подчеркнуть, что в США пытаются увеличить количество кубитов, мы же пытаемся сделать операции точнее, что несколько важнее. Когда мы догоним западных коллег сказать сложно — может быть, в 2030 году, а может в 2050», — заключил Глеб Федоров.