В рамках серии исследовательских экспериментов специалисты Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) определили основные параметры первого российского 50-кубитного компьютера, созданного на базе технологии холодных ионов. Научная статья, статья с описанием результатов исследования была опубликована в журнале «Успехи физических наук», ведущем российском академическом издании, которое освещает современные вопросы физики.
Компьютер разработан в соответствии с дорожной картой «Квантовые вычисления», реализуемой при поддержке Госкорпорации «Росатом». Эта дорожная карта была запущена в 2020 году. Разработчикам пришлось начинать практически с нуля, однако, по результатам проекта им удалось достичь уровня лидеров отрасли и создать систему, характеристики которой не хуже, а по ряду параметров и превосходят аналогичные разработки.
По словам экспертов, российский квантовый компьютер использует цепочку из 25 ионов иттербия (¹⁷¹Yb⁺) для выполнения квантовых операций. Ионы удерживаются лазерами и охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю. В таком состоянии управление кубитами осуществляется с помощью лазерных импульсов, а квантовые алгоритмы представляют собой последовательность таких воздействий.
«Ионные вычислители демонстрируют перспективность при достижении уровня до полусотни кубитов – наиболее продвинутые квантовые устройства. Сложность их разработки заключается в необходимости осуществления запутывающих операций, требующих управляемого взаимодействия кубитов. Другая задача – повышение числа кубитов, не жертвуя при этом качеством и скоростью проводимых операций. В ходе тестирования были изучены ключевые характеристики компьютера – достоверность однокубитных и двухкубитных операций, а также время когерентности – согласованной работы кудитов до того, как их квантовое состояние будет разрушено», – по словам научного сотрудника ФИАН Ильи Заливако.
По словам разработчиков, отечественный подход отличается использованием куквартов. Это системы, позволяющие иону одновременно находиться не в двух состояниях, как в кубитах, а в четырех, благодаря чему можно хранить и обрабатывать больший объем информации.
Данный архитектурный подход оказывается более эффективным для определенных квантовых алгоритмов, и для его реализации ученые ФИАН предложили ряд новых научных и технических решений. В частности, был разработан инновационный метод защиты кудитов (ионов, содержащих более двух кубитов) от декогеренции, что критически важно, поскольку эти сложные структуры более восприимчивы к разрушению. Кроме того, были внедрены усовершенствованные методы охлаждения ионов, фильтрации лазерного шума и другие инновации.
В ходе экспериментов исследователи применяли задачи, способные в дальнейшем использоваться для выполнения настоящих квантовых вычислений. Так, были реализованы алгоритмы Гровера, предназначенные для поиска в несортированных базах данных, определена структура нескольких молекул и смоделированы различные динамические системы.
Специалисты ФИАН также одними из первых в мире начали использовать ионный процессор для решения задач, имеющих практическое значение. В ходе эксперимента они обучили нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр. В будущем эта технология может применяться, к примеру, для быстрого поиска новых эффективных молекул, распознавания лиц, проверки ДНК и множества других операций.
«Квантовый компьютер, разработанный в нашем институте – это не просто экспериментальный прототип – это комплексная платформа, предназначенная для проведения исследований и решения задач. Дальнейшее развитие системы предполагает повышение точности выполняемых операций и увеличение времени когерентности. Кроме того, мы продолжаем исследовать новые способы применения кудитов, в этой области занимая лидирующие позиции на мировом рынке. Также ведется работа над методами масштабирования устройств и организации их серийного производства», – подчеркнул директор ФИАН, академик РАН Николай Колачевский.
В качестве ключевой цели следующего этапа дорожной карты он выделил создание коммерческих квантовых компьютеров. Для этого необходимо будет уменьшить размеры и автоматизировать разработку таких систем. Кроме того, серийные вычислители должны быть более надежными и не нуждаться в регулярном обслуживании.
Материалы и фотографии предоставлены Отделом по связям с общественностью Физического института им. П.Н. Лебедева РАН