В НИТУ "МИСиС" заработал прототип квантового компьютера

Устройство на двух кубитах выполнило заданный алгоритм, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы.

Работы по созданию квантового компьютера в рамках проекта Фонда перспективных исследований ведутся в НИТУ "МИСиС" с 2016 года под руководством Валерия Рязанова, главного научного сотрудника Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов университета. Конструкция предполагает использование в качестве основы для кубитов сверхпроводящих материалов.

Кубиты (квантовые биты) – действующая сила квантового компьютера, аналог битов у обычного ПК, но более совершенный. Если привычный компьютер "мыслит" и считает нулями и единицами, то есть каждый бит информации может быть закодирован либо как "0", либо как "1", то кубит обладает свойством так называемой суперпозиции, способности находиться одновременно в обоих состояниях. Это открывает большие перспективы, ведь при таких вычислительных ресурсах квантовый компьютер сможет обогнать самые мощные вычислительные устройства на целые порядки.

Квантовый компьютер на сверхпроводящих материалах – более совершенная система по сравнению с аналогами. Например, другими научными коллективами разрабатываются 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 НИТУ "МИСиС" кубиты сделаны из алюминия, имеют размер в 300 микрон, их нельзя "потерять", а также можно выстраивать нелинейно.

В ходе эксперимента 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 идёт речь в первую очередь о технологическом достижении. Мы показали возможность реализации всех необходимых для логических операций для универсального квантового процессора: инициализации, однокубитных и двухкубитных операций и считывания, причём с удовлетворительным для небольших алгоритмов уровнем ошибок", – рассказал один из участников проекта инженер лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" Илья Беседин.

Самая большая трудность на пути к созданию полезного квантового процессора – ошибки. В отличии 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%-ной вероятности верного ответа, дойдя до 53%.

Весь алгоритм состоит из инициализации двух кубитов, четырёх однокубитных операций, двух двухкубитных операций и считывания двух кубитов; ошибки в любой из которых уменьшает вероятность правильного ответа в ответе.

Чип для квантового компьютера изготавливали в МГТУ им. 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  до  -273,14 градусов Цельсия, что близко к абсолютному нулю.

"Тем не менее, перед нами ещё большой путь. Совсем недавно в прессу попали ещё не опубликованная официально статья компании Google, которым удалось реализовать на 53-кубитном сверхпроводниковом квантовом процессоре алгоритм "квантового превосходства". Задача "квантового превосходства" - это наиболее благоприятная именно для квантового компьютера задача, которую при этом очень сложно выполнить на классическом компьютере. И если у нас преодоление "классического" предела – это всё-таки фундаментальный результат, то результат Google – это уже ближе в практическую сторону: они смогли сформулировать и решить  задачу, которую их процессор может выполнить за минуты, а мощный суперкомпьютер проверял неделями", – добавляет Илья Беседин.

И даже при этом Google ещё не удалось приблизиться к тому, чтобы квантовый компьютер решал какую-либо 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 – это демонстрация уменьшенных до размеров нескольких десятков кубитов версии "полезных" квантовых алгоритмов (например, симулятор химической реакции или основного состояния молекулы) и демонстрация квантовой коррекции ошибок. Вот именно для коррекции ошибок, кстати, сверхпроводниковые кубиты подходят лучше всего: их можно организовать в двумерную решётку с локальными взаимодействиями и параллельными вентилями, которая необходима для "поверхностного кода" -- самого простого с точки зрения требований и к точности операций.

"Мы тоже хотим двигаться в эту сторону, но с моей точки зрения в квантовых вычислениях важно не только больше, но и лучше: сверхпроводниковые кубиты, которые мы сейчас используем, получаются довольными дорогими и дают много ошибок. И перед тем, как делать сотни и тысячи кубитов, на мой взгляд, стоит ещё поработать над самой базовой единицей – кубитом", - подводит итог Илья Беседин.