На минувшей неделе завершился этап контрольных экспериментов, предусмотренных дорожной картой по квантовым вычислениям, которой руководит Госкорпорация «Росатом». Исследовательские мероприятия, проходившие в период с 15 по 26 декабря, подвели итог работы научных групп Квантового проекта за 2025 год и зафиксировали его соответствие целям, намеченным квантовой дорожной картой.
В рамках «контрольной декады» в лабораториях институтов Российской академии наук, Центра квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Национального исследовательского технологического университета МИСИС и других научных центров, участвующих в реализации дорожной карты, проведена серия экспериментов на российских прототипах квантовых вычислителей четырех основных платформ (ионной, атомной, фотонной и сверхпроводниковой), а также на квантово-оптическом симуляторе машины Изинга.
Три прототипа квантовых процессора в ходе испытаний продемонстрировали новый уровень размерности в 70 кубитов и более (на ионах иттербия – научной группой под руководством Ильи Семерикова, ионах кальция - научной группой во главе с Кириллом Лахманским, одиночных нейтральных атомах рубидия – научной группой под руководством Станислава Страупе). По мнению ученых, результат экспериментов уверенно демонстрирует возможности масштабирования кубитов в вычислителях, а также создает базу для последующих этапов работы в части повышения достоверности операций, с которой связана реальная производительность квантовых процессоров.
- Представлен прототип 70-кубитного квантового компьютера на ионах иттербия и продемонстрирована высокая точность двухкубитной операции на уровне 96,1%. Планируется, что на горизонте 2030 года в России будут созданы квантовые компьютеры среднего масштаба, использующие эффективные механизмы коррекции ошибок и ориентированные на запуск сложных квантовых алгоритмов для решения прикладных промышленных задач.
- Повышена размерность прототипа квантового вычислителя на одиночных нейтральных атомах рубидия до 72 кубитов с точностью двухкубитной операции на уровне 94%. При этом усовершенствована архитектура квантовой вычислительной системы, что открыло новые возможности к дальнейшему масштабированию, а в будущем – к реализации коррекции ошибок.
- Представлен прототип первого ионного квантового компьютера на кусептах — квантовая система, оперирующая сразу семью уровнями квантовых состояний. Новая архитектура позволила построить процессор на основе ионов кальция, эквивалентный 72 кубитам, и обеспечить рекордную для квантовых систем такого масштаба точность двухкубитных операций на уровне 96,5%. Для построения процессора команда разработала специализированные лазерные системы и сложную оптическую архитектуру, а также усовершенствовала управляющую электронику и программное обеспечение. В ближайшей перспективе исследователи планируют приступить к интеграции поверхностных ионных ловушек, что позволит обеспечить индивидуальный контроль каждого иона и дополнительно повысить точность вычислений.
Научной группой Квантового проекта из НИТУ МИСИС под руководством заведующего лабораторией сверхпроводящих материалов Алексея Устинова представлены прототипы квантовых процессоров на основе флаксониумов - нового поколения процессоров на сверхпроводниковых кубитах. Масштабирование новой архитектуры является важным шагом к созданию квантовых процессоров для выполнения прикладных квантовых алгоритмов.
- Два представленных прототипа многокубитных квантовых процессоров на основе флаксониумов отличаются улучшенной управляемостью и более высокими временами когерентности. В ходе эксперимента была продемонстрирована высокая точность квантовых операций: точность двухкубитных операций составила 99,4%. Учёные предложили и реализовали два подхода к масштабированию: первый – процессор с линейной связностью, состоящий из 16 кубитов-флаксониумов, второй основан на использовании трехкубитной операции, что в отличие от стандартных двухкубитных операций, позволяет быстрее создавать многочастичные запутанные состояния, которые и являются ключевым ресурсом для квантовых вычислений.
Сделан следующий шаг в развитии прототипов квантовых компьютеров на фотонной платформе. Ученые Центра квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова под руководством руководителя сектора квантовых вычислений Центра Станислава Страупе на минувшей неделе провели испытание квантового процессора на основе фотонных чипов.
- Ученые подтвердили 35-кубитную размерность квантового процессора на основе фотонных чипов, необходимую для моделирования бозонного сэмплинга с той же размерностью (специализированной модели квантовых вычислений, основанной на симуляции поведения фотонов в оптической системе). Продемонстрирована способность процессора запускать алгоритмы с потенциальным практическим применением размерностью не менее 4 кубитов. Одно из будущих применений данного процессора - оптимизация логистических и транспортных сетей.
В научном центре, участвующем в реализации дорожной карты по квантовым вычислениям, научной группами под руководством Игоря Биленко и Дмитрия Чермошенцева впервые в России создан компактный интегральный источник квантового «сжатого» состояния света.
- Новация позволит делать на основе таких систем компактные детекторы с огромной чувствительностью, чтобы проводить измерения с высокой точностью, превосходящей фундаментальный предел для классического света. Кроме того, сжатый свет является ключевым ресурсом для перспективных технологий — как для создания сверхчувствительных компактных сенсоров, так и для квантовых компьютеров, работающих на непрерывных переменных. Суть эксперимента заключалась в генерации такого сжатого состояния внутри миниатюрного кольцевого микрорезонатора, изготовленного на фотонном чипе. Созданная система существенно расширит возможности практического применения квантовых технологий в телекоммуникационных системах, портативных сенсорах и прототипах квантовых процессоров.
Командой также создан прототип квантово-оптического симулятора интегральной когерентной машины Изинга, который обладает высоким вычислительным потенциалом в ходе будущего промышленного применения, а также сделан ключевой блок для масштабируемой пространственной когерентной машины Изинга.
- Создан прототип полностью оптического вычислительного устройства — интегрально-когерентной машины Изинга. Данная экспериментальная система в будущем может быть размещена на одном чипе, что позволит создавать мощные компактные вычислители. Сейчас система работает с малым числом переменных, но в ближайшие годы планируется масштабирование до сотен элементов для решения задач, недоступных классическим компьютерам. Предполагается применение данного вычислительного устройства для решения задач в области оптимизации инвестиций, логистики, моделирования химических процессов
- Экспериментально продемонстрирован эффект поляризационной бистабильности, необходимый для создания полностью оптической пространственной когерентной машины Изинга, которая, в отличие от интегральной, обладает более широкими возможностями масштабирования до уровня, практически полезного для промышленности.
В настоящий момент в мире существует лишь два устройства полностью оптической интегральной когерентной машины Изинга, и ни одного устройства полностью оптической пространственной когерентной машины Изинга. Ученые Квантового проекта, реализуемого под руководством «Росатома», являются пионерами данного направления.
Екатерина Солнцева, директор по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом»:
«За шесть лет реализации в стране квантовой дорожной карты мы сформировали прочную базу, которая позволяет уже сегодня практиковать пилотное индустриальное применение квантовых вычислений. Прежде всего, работа по внедрению квантов стартовала в атомной отрасли. Но мы также видим, что и за пределами нашей отрасли высок интерес к инвестированию в пилотные проекты внедрения этой прорывной технологии. Подводя итоги года, отмечу, что наряду с развитием квантовых вычислителей мы активно развиваем программные решения – квантовые алгоритмы, с помощью которых уже сегодня решаются модельные задачи применения квантовых новаций на различных производствах. Одновременное развитие квантового «железа» и «софта» – важные направления текущей работы научных групп квантового проекта».
Николай Колачевский, академик РАН, научный руководитель дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления»:
«Итоги контрольных экспериментов демонстрируют стабильное развитие отечественного Квантового проекта: мы занимаем устойчивые позиции в квантовых исследованиях и создании квантовых вычислителей – по количеству кубитов мы соответствуем мировой динамике. Считаю важным результатом шаг, сделанный в сторону повышения достоверности операций – он позволит масштабировать производительность квантовых вычислителей и их способность в будущем решать практические задачи. Перед российскими учеными стоят непростые задачи по развитию квантовых технологий, но мы намерены поступательно их решать и тем самым обеспечить технологический суверенитет страны в квантовой сфере».