​В НИТУ МИСиС заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило заданный алгоритм, превысив ранее известный предел точности на три процента.

Работы по созданию квантового компьютера в рамках проекта Фонда перспективных исследований ведутся с 2016 года под руководством профессора Валерия Рязанова.

Валерий Рязанов.png

В коллаборацию входят Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики, Московский физико-технический институт, НИТУ МИСиС, МГТУ имени Н. Е. Баумана, Новосибирский государственный технический университет, Российский квантовый центр. В качестве основы для кубитов в заработавшем в МИСиС прототипе были взяты сверхпроводящие материалы.

Обычный и квантовый: сходства и различия

В обычном компьютере используется двоичная система исчисления: ноль и единица. Это связано в первую очередь со строением ЭВМ. Внутри процессора находятся миллионы транзисторов, которые по своим техническим особенностям имеют два состояния: включен (ток свободно протекает) или выключен (ток не течет).

Компьютеры не могут использовать обычную человеческую систему исчисления, так как один транзистор не может иметь десять различных состояний. С двоичной системой микроэлектроника справляется успешно. Каждая переключаемая ячейка (транзистор) именуется битом (англ. binary digit; также игра слов: англ. bit — немного). Современные компьютеры имеют стандартный кластер в один байт, что равняется восьми битам, он имеет всего 256 (28) возможных состояний.

Кубиты (квантовые биты) — основной кирпичик квантового компьютера, аналог битов у обычного ПК, только куда более совершенный. Если привычный нам компьютер «мыслит» и считает нулями и единицами, то кубит обладает свойством так называемой суперпозиции, способности находиться одновременно в обоих состояниях. Это открывает огромные перспективы, ведь при таких вычислительных ресурсах квантовый компьютер сможет обогнать самые мощные вычислительные устройства на порядки.

Если привычный нам компьютер «мыслит» и считает нулями и единицами, то кубит обладает свойством так называемой суперпозиции, способности находиться одновременно в обоих состояния. 
«Вопрос кодирования информации в идеальном квантовом компьютере не самый простой, — рассказал “Стимулу” один из участников проекта, инженер лаборатории “Сверхпроводящие метаматериалы” НИТУ МИСиС Илья Беседин. — С одной стороны, у кубита, как и у классического бита, всего два состояния. Если измерить его состояние, то получится одно из двух. С другой стороны, у одного кубита бесконечный континуум состояний; эти состояния удобно представить себе как точки на сфере (ее называют сферой Блоха). Полюса — это состояния 0 и 1; проекция на ось сферы — вероятность измерить либо 0, либо 1».

Беседин.png
Для классического бита есть только две возможные логические операции. Логические операции над кубитом — это любые вращения этой сферы вокруг любой оси, проходящей через центр сферы.
«Если одну обычную двумерную сферу в трехмерной пространстве (один кубит) мы себе в голове представить еще можем, — продолжает Илья Беседин, — то состояние n кубитов — это точка на 2 ^ (n+1) − 2 мерной сфере в 2 ^ (n + 1) − 1 мерном пространстве, логические операции — это некоторые вращения в этом пространстве, но при считывании все схлопывается до последовательности n нулей и единиц, то есть 2 ^ n различных вариантов».
Алюминиевые кубиты

Квантовый компьютер на сверхпроводящих материалах — более совершенная система по сравнению с аналогами. Например, другие научные коллективы разрабатывают кубиты на отдельных атомах (которые могут «потеряться» из-за ничтожно малого размера) и на ионах (их можно выстраивать исключительно линейно, что физически неудобно). Созданные в МИСиС кубиты сделаны из алюминия, имеют размер 300 микрон, их нельзя «потерять», а еще можно размещать и соединять произвольным образом на поверхности микросхемы.

Созданные в НИТУ МИСиС кубиты сделаны из алюминия, имеют размер 300 микрон, их нельзя «потерять», а еще можно размещать и соединять произвольным образом на поверхности микросхем. 
«Самая главная часть нашего кубита — наноразмерные джозефсоновские контакты, — поясняет Илья Беседин. — Наши джозефсоновские контакты — это два слоя сверхпроводника (алюминия), разделенные тонким (два нанометра) слоем оксида алюминия. Если охладить эту структуру, то алюминий станет сверхпроводником, а контакт — нелинейной индуктивностью. Параллельно индуктивности мы ставим емкость и получаем самый обычный LC-контур, как в школе. Такой осциллятор на наноразмерном джозефсоновском контакте называется трансмоном. Частота LC-контура типичного кубита составляет около шести гигагерц».
Для квантовых применений удобно считать энергию LC-контура в числе фотонов. При комнатной температуре из-за процессов, связанных с броуновским движением в осцилляторах, подобных созданным в НИТУ МИСиС, будет в среднем около 1000 тепловых фотонов энергии, даже если с ними вообще ничего не делать.

Если охладить структуру до 0,01 °C выше абсолютного нуля с помощью рефрижератора растворения, то равновесное тепловое число фотонов в таких осцилляторах становится в среднем чуть больше нуля. 0 и 1 в сверхпроводниковых кубитах — это 0 и 1 фотон в осцилляторе, соответственно. Благодаря тому что осциллятор сильно нелинеен, можно осуществлять логические операции над состоянием кубита, подавая микроволновые импульсы разной длительности, амплитуды и фазы на частоте кубита.

Что может и чего не может кубит
«Принцип у обычного и квантового компьютера один — кодирование информации через логические ноль и единицу, но из-за бесконечного континуума состояний кубита процесс идет неизмеримо быстрее, - поясняет Илья Беседин. — Есть задачи, для которых существуют быстрые квантовые алгоритмы, полагающиеся на этот континуум. К наиболее известным относятся алгоритм Шора (факторизация больших чисел, важно для криптоаналитических применений), алгоритм Гровера (поиск по неструктурированной базе данных, очень широкий спектр применений), симуляция квантовой молекулярной динамики (фармакология, материаловедение и всякие другие дисциплины, где важно симулировать поведение вещества на уровне отдельных атомов и химических связей). Нет чудесного рецепта “для всех задач”, который даст ускорение везде. В этом смысле квантовый компьютер надо рассматривать скорее как дополнение к классическому, а не как его замену».
Несмотря на то что созданный в МИСиС процессор из двух кубитов слишком мал для решения прикладных задач, он успешно «перешагнул» порог 50-процентной вероятности верного ответа, дойдя до 53%. 

В ходе эксперимента, который проводится в МИСиС, двухкубитный квантовый компьютер решал алгоритм Гровера — алгоритм перебора для функции. Квантовый компьютер благодаря принципу суперпозиции в идеальном случае может найти правильное значение x в решении этой задачи за одно обращение к функции f(x) с вероятностью 100%.
«Алгоритм Гровера на двух кубитах — это очень важный шаг на пути к созданию квантового компьютера. Мы не первые в мире, кто продемонстрировал его работу, но здесь речь идет в первую очередь о технологическом достижении. Мы показали возможность реализации всех необходимых логических операций для универсального квантового процессора: инициализации, однокубитных и двухкубитных операций и считывания, причем с удовлетворительным для небольших алгоритмов уровнем ошибок», — отметил Илья Беседин.
Самая большая трудность на пути к созданию полезного квантового процессора — ошибки. В отличие от классических компьютеров, которые могут работать годами и всегда выдавать воспроизводимые и предсказуемые результаты, квантовые компьютеры подвержены влиянию шума, который искажает результаты вычислений. Несмотря на то что созданный в НИТУ МИСиС процессор из двух кубитов слишком мал для решения прикладных задач, он успешно «перешагнул» порог 50-процентной вероятности верного ответа, дойдя до 53%.

Весь алгоритм состоит из инициализации двух кубитов, четырех однокубитных операций, двух двухкубитных операций и считывания двух кубитов, появление ошибок в любой из которых уменьшает вероятность правильного ответа.

Чип для квантового компьютера изготавливали в МГТУ имени Баумана, а его проектированием и запуском устройства занимались уже в НИТУ МИСиС, где в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» выстроен уникальный комплекс оборудования с криостатами, обеспечивающими работу при сверхнизких температурах.
«Тем не менее перед нами еще большой путь, — добавляет Илья Беседин. — Совсем недавно в прессу попала еще не опубликованная официально статья компании Google, в которой указано, что ученым удалось реализовать на 53-кубитном сверхпроводниковом квантовом процессоре алгоритм квантового превосходства. Задача квантового превосходства — наиболее благоприятная именно для квантового компьютера задача, которую при этом очень сложно выполнить на классическом компьютере. И если у нас преодоление “классического” предела — это все-таки фундаментальный результат, то результат Google — это уже ближе к практике: они смогли сформулировать и за три минуты решить задачу, на которую самому мощному на сегодняшний день суперкомпьютеру потребовалось бы десять тысяч лет».
Чип для квантового компьютера изготавливали в МГТУ им. Баумана, а его проектированием и запуском устройства занимались уже в МИСиС, где в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» выстроен уникальный комплекс оборудования с криостатами, обеспечивающими работу при сверхнизких температура.

Но при этом Google еще не удалось приблизиться к тому, чтобы квантовый компьютер решал какую-либо реальную и практически полезную задачу эффективнее, чем классический. Однако пока теоретические предсказания относительно вычислительного превосходства квантовых компьютеров экспериментами подтверждаются.

Следующие важные шаги на пути к созданию полезного квантового компьютера — демонстрация уменьшенных до размеров нескольких десятков кубитов версий «полезных» квантовых алгоритмов (например, симулятора химической реакции или основного состояния молекулы) и демонстрация квантовой коррекции ошибок. Стоит отметить, что именно для коррекции ошибок сверхпроводниковые кубиты подходят лучше всего: их можно организовать в двумерную решетку с локальными взаимодействиями и параллельными вентилями, которая необходима для «поверхностного кода» — самого простого с точки зрения требований к точности операций.

Алексей Андреев

На фото: микросхема прототипа квантового процессора из двух кубитов, готовая к загрузке в рефрижератор растворения.

Источники

Расчет на двух алюминиевых кубитах
Стимул (stimul.online), 15/10/2019

Похожие новости

  • 19/04/2019

    Россия приблизилась к квантовой революции

    Коллаборация российских ученых установила мировой рекорд в создании сверхпроводящих кубитов — время их жизни 50 микросекунд. Это достижение приближает нашу страну к созданию первого функционирующего квантового компьютера, который обеспечит превосходство в сфере сверхбыстрых вычислений.
    685
  • 03/11/2018

    «Догнать и перегнать»: Россия потеснит Европу на рынке квантовой связи

    В мире началась вторая квантовая революция. Чтобы не остаться на обочине прогресса, Россия создает Центр квантовых коммуникаций в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ). Здесь сосредоточат силы и ресурсы ведущих исследовательских центров и коммерческих компаний.
    654
  • 30/10/2016

    XVII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям

    30 октября - 3 ноября 2016 года в Новосибирске на базе ИВТ СО РАН состоится XVII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Конференция организуется с целью обсуждения актуальных результатов исследований молодых научных сотрудников, аспирантов и студентов старших курсов в области вычислительной и прикладной математики и информатики.
    2918
  • 19/03/2015

    Что вырастим, то вырастим: 3D-индустрия

    ​В стакан с песком мы кольцами, одно поверх другого, наливаем клей, он застывает, затем снова и снова льем клей и подсыпаем песку... Потом отряхиваем лишнее и получаем нечто вроде трубы. Заменим песок специально подготовленным порошком из металла, керамики или композита, струйку клея - лучом лазера или потоком электронов, а собственную руку - системами точного, до микрон, позиционирования и интеллектуального управления.
    1410
  • 25/05/2017

    XVIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям

    ​С 21 по 25 августа 2017 г. в Иркутске состоится XVIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Конференцию проводит ИВТ СО РАН совместно с ИВМ СО РАН, ИДСТУ СО РАН, ИВМиМГ СО РАН, НГУ, НГТУ, СибГУТИ.
    1773
  • 24/05/2019

    Стартовала регистрация на крупный научный форум по стратегическим технологиям IFOST в ТПУ

    ​​Томский политехнический университет получил право провести одно из крупнейших мероприятий в сфере инновационных технологий и передовых инженерных решений — форум IFOST. Здесь традиционно встречаются представители науки и промышленности из разных стран для обсуждения технологий, имеющих стратегическое значение для развития различных областей производства.
    703
  • 15/03/2019

    Единственный в РФ 3D-принтер, меняющий свойства металлов, разработают до конца 2019 года

    ​Устройство предназначено для изготовления крупногабаритных деталей для авиакосмической отрасли.  Разрабатываемый несколькими российскими университетами, в частности учеными из Москвы, Томска и Новосибирска, 3D-принтер по металлу, способный менять свойства металлов в процессе работы, будет завершен до конца 2019 года.
    480
  • 12/07/2017

    В Москве прошла Ершовская конференция PSI-2017

    Одна из наиболее авторитетных международных ИТ-конференций, PSI-2017, состоялась в конце июня в главном здании Российской академии наук. Ее участниками стали представители фундаментальной и прикладной науки, приехавшие в Москву со всего мира.
    1332
  • 23/04/2019

    Две сибирские команды борются за победу в российском конкурсе стартапов

    ​В Москве прошел полуфинал конкурса технологических стартапов «Криптонит Startup Challenge». В нем приняло участие две сибирские команды, сообщает корреспондент Sibnovosti.ru. В этом году «Криптонит Startup Challenge» проходит впервые.
    606
  • 07/11/2019

    Более 30 студентов и аспирантов ТПУ получили стипендии Президента и Правительства РФ

    ​В числе стипендиатов Президента РФ — четыре студента и семь аспирантов Томского политехнического университета. Стипендию Правительства России будут получать 13 студентов и семь аспирантов. В течение учебного года, помимо основной, они ежемесячно будут получать дополнительную стипендию.
    266