Ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) в ходе серии исследовательских экспериментов оценили ключевые характеристики первого российского 50-кубитного компьютера, построенного по технологии холодных ионов. Научная статья, в которой описаны результаты работы, опубликована в журнале «Успехи физических наук» – ведущем отечественном академическом издании, посвященном актуальным проблемам физики.
Компьютер создан в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» под эгидой Госкорпорации «Росатом». Она стартовала в 2020 году. Несмотря на то, что разработчики начинали практически с нуля, по итогам проекта они догнали лидеров отрасли, создав систему, которая по своим характеристикам не уступает аналогам, а по ряду параметров превосходит их.
Как объяснили специалисты, в российском вычислителе для осуществления квантовых операций используют цепочку из 25 ионов иттербия (¹⁷¹Yb⁺). Их удерживают лазерами и охлаждают почти до абсолютного нуля. В таком состоянии кубитами управляют посредством лазерных импульсов. Квантовые алгоритмы – это последовательности таких воздействий.
«На уровне до полусотни кубитов ионные вычислители – наиболее совершенные среди квантовых устройств. При их создании одна из самых сложных задач – научиться делать запутывающие операции, для чего нужно заставить кубиты взаимодействовать друг с другом контролируемым образом. Еще один вызов – увеличение числа кубитов без потери качества и скорости операций. Так, в ходе тестирования были исследованы ключевые характеристики компьютера – достоверность однокубитных и двухкубитных операций, а также время когерентности – согласованной работы кудитов до того, как их квантовое состояние будет разрушено», – рассказал научный сотрудник ФИАН Илья Заливако.
Одна из особенностей отечественного подхода, пояснили разработчики, – применение куквартов. Это системы, в которых ион может одновременно находиться не в двух состояниях, как в кубитах, а в четырех, что позволяет сохранять и обрабатывать больше информации.
Такая архитектура выгоднее для некоторых квантовых алгоритмов, и чтобы реализовать ее, ученые ФИАН предложили ряд оригинальных научных и технических решений. К примеру, разработали новый способ защиты кудитов (ионов, где больше двух кубитов) от декогеренции, что важно, поскольку они, как более сложные, сильнее подвержены разрушению. Также были внедрены новые методы охлаждения ионов, фильтрации шумов лазера и многие другие инновации.
Вместе с тем в процессе испытаний ученые использовали задачи, которые в будущем позволят осуществлять реальные квантовые расчеты. В том числе осуществили алгоритмы Гровера, которые предполагают поиск по неупорядоченной базе данных, рассчитали структуру нескольких молекул и провели симуляцию ряда динамических систем.
Помимо этого, специалисты ФИАН одни из первых в мире применили ионный процессор для решения практически полезных задач. Так, 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.
«Разработанный в нашем Институте квантовый компьютер – это не просто экспериментальный прототип – это полноценная платформа для проведения исследований и решения задач. Следующий этап развития системы связан с повышением точности операций и времени когерентности. Помимо этого, мы продолжаем изучать новые подходы к использованию кудитов, где являемся одними из лидеров в мире. Также осваиваем подходы к масштабированию устройств и их серийному производству», – отметил директор ФИАН, академик РАН Николай Колачевский.
Он подчеркнул, что создание коммерческих квантовых компьютеров должно стать итогом следующего этапа дорожной карты. Разработка таких систем потребует их компактизации и автоматизации. Вместе с тем серийные вычислители должны обладать большей надежностью и не требовать постоянного обслуживания.