Наука и технологии 15 Октября 2019

Расчет на двух алюминиевых кубитах

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
Расчет на двух алюминиевых кубитах
Микросхема прототипа квантового процессора из двух кубитов, готовая к загрузке в рефрижератор растворения
НИТУ «МИСиС»

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

magnifier.png Если привычный нам компьютер «мыслит» и считает нулями и единицами, то кубит обладает свойством так называемой суперпозиции, способности находиться одновременно в обоих состояниях

«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».

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».

КВАНТ КОМП РЯЗАНОВ.png
Работы по созданию квантового компьютера ведутся с 2016 года под руководством профессора Валерия Рязанова
НИТУ МИСиС

 

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.

magnifier.png 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 микросхемы

«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.

КВАНТ КОМП БЕСЕДИН.png
Один из участников проекта по созданию квантового компьютера, инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Беседин
НИТУ МИСиС

 

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».

magnifier.png 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».

magnifier.png 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 температурах

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.

Еще по теме:
11.11.2019
Десятого ноября 1888 года родился выдающийся советский авиаконструктор Андрей Николаевич Туполев — глава советской авиац...
08.11.2019
Сегодняшний хайп по поводу всеобщей цифровизации пришел к нам с Запада. Между тем специалистам хорошо известно, что тема...
05.11.2019
Квантовый компьютер Google достиг квантового превосходства
30.10.2019
Как искусственный интеллект позволяет находить и доказывать полезные свойства микронутриентов и разоблачать псевдонаучны...
Наверх