​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

  • 31/08/2020

    Почему IT-сфера является одной из ключевых для Новосибирской области?

    ​​​IT-отрасль Новосибирской области по динамике развития, количеству организаций, а также численности и качеству кадров входит в первую десятку регионов России​. Производство валового регионального продукта в Новосибирской области в сфере информации и связи растет год к году.
    592
  • 04/09/2020

    Открыт прием заявок на 63-ю Всероссийскую научную конференцию МФТИ

    ​С 23 по 29 ноября пройдет ежегодная 63-я Всероссийская научная конференция МФТИ. Участвовать в конференции могут студенты, аспиранты, преподаватели и ученые как из России, так и из ближнего и дальнего зарубежья.
    989
  • 02/09/2020

    80 лет со дня рождения Сергея Стенина

    1 сентября — день рождения Сергея Ивановича Стенина — блестящего ученого, талантливого организатора, основателя научной школы, выпускника НГТУ НЭТИ. Сегодня ему бы исполнилось 80 лет. Во многом именно благодаря этому человеку Институт физики полупроводников им.
    675
  • 05/10/2020

    В Новосибирской области состоялся региональный этап Всероссийского конкурса проектов кружкового движения Rukami

    ​​29 сентября в Новосибирской области состоялся региональный этап Всероссийского конкурса проектов Кружкового движения Rukami - 2020 в формате zoom-конференции. Учредителем Конкурса является Фонд поддержки проектов Национальной технологической инициативы.
    585
  • 28/10/2020

    Новосибирская область вошла в топ-10 мониторинга качества приема в российские вузы в 2020 году

    ​Средний балл ЕГЭ абитуриентов, зачисленных на бюджетные места в 2020 году в вузы Новосибирской области, составил 72,1 балла. По этому показателю область входит в ТОП-10 регионов России по качеству приема в вузы.
    231
  • 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.
    986
  • 02/12/2020

    В «Точке кипения — Томск» прошла конференция TEDxTomsk «Покоряя глубины»

    ​28 ноября в пространстве коллективной работы «Точка кипения — Томск» прошла независимая конференция TEDxTomsk на тему «Покоряя глубины». Спикеры TEDxTomsk, представляющие разные сферы профессиональной деятельности, поделились, как они в своей жизни и работе «сдвигают» границы неизвестного и развивают «сенсоры», позволяющие видеть глубину и сложность современного мира.
    185
  • 20/07/2020

    Министр обещает ответить на все вопросы ученых - о «Прямом разговоре» Минобрнауки и РАН

    Проведенную на днях в формате видеоконференции встречу министра науки и высшего образования РФ Валерия Фалькова с членами и профессорами РАН назвали оригинально – «Прямой разговор». Что-то среднее между «прямой линией» и задушевной беседой.
    815
  • 20/10/2020

    Более 15 млн участников: XV юбилейный Всероссийский фестиваль NAUKA 0+ завершился рекордами

    ​18 октября в Москве завершился столичный этап юбилейного Всероссийского фестиваля NAUKA 0+, который в этом году прошёл онлайн и за 5 дней собрал рекордное количество участников – более 15 млн пользователей со всего мира стали гостями крупнейшего научно-популярного события.
    215
  • 07/09/2020

    «Амбициозная задача — это основная движущая сила»: участник экспертной дискуссии Андрей Яковлев о работе ТПУ в период пандемии

    ​​​Врио ректора Томского политехнического университета Андрей Яковлев принял участие в экспертной дискуссии «Вузы нового поколения: адаптивность как конкурентное преимущество», которую организовал Благотворительный фонд Владимира Потанина на онлайн-площадке ТАСС.
    462