В НИТУ «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило квантовый алгоритм Гровера, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы.
Криостат квантового компьютера, собранного в НИТУ «МИСиС».
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, только куда более совершенный. Если привычный нам 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 огромные 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 еще 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 отличие от классческих 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.
В криостате есть позолоченные фланцы, которые при охлаждении стабилизируются на разных температурах. Самый нижний имеет температуру 0,01 Кельвин = -273,14 градусов Цельсия.
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, близким к абсолютному нулю.
«Тем не менее, перед нами ещё большой путь, – добавляет Илья Беседин. – 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».
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.
Криостат квантового компьютера, собранного в НИТУ «МИСиС».
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, только куда более совершенный. Если привычный нам 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 огромные 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 еще 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 отличие от классческих 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.
В криостате есть позолоченные фланцы, которые при охлаждении стабилизируются на разных температурах. Самый нижний имеет температуру 0,01 Кельвин = -273,14 градусов Цельсия.
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, близким к абсолютному нулю.
«Тем не менее, перед нами ещё большой путь, – добавляет Илья Беседин. – 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».
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.
