Расчет на двух алюминиевых кубитах

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.

«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».

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.

«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.

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».

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».

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.