Los científicos rusos han desarrollado un procesador cuántico de dos qudits, que es equivalente a un ordenador cuántico de cuatro qubits, un sistema de cuatro iones con dos estados de energía cada uno. La creación de un procesador cuántico es la principal tarea supervisada por Rosatom en el marco de la hoja de ruta de “Tecnologías Cuánticas”.

Como parte de la hoja de ruta de “Tecnologías Cuánticas” los científicos están desarrollando procesadores cuánticos basados ​​en superconductores, átomos fríos y fotones. En el laboratorio conjunto de FIAN y el Centro Cuántico de Rusia se está trabajando con iones de iterbio, que se consideran los más adecuados para crear un ordenador cuántico.

Cada uno de los dos iones con los que trabajaron los científicos es un ququart, es decir, qudit, capaz de estar simultáneamente en cuatro estados electrónicos.

Un qudit es un qubit con tres o más niveles de energía. En sentido figurado, se puede imaginar como una casa de varios pisos. “La transición de un nivel de energía a otro es un cambio en el estado de la capa de electrones de un ion. En este caso, la función de onda de la capa de electrones del ion cambia”, comenta Ilya Semerikov, investigador del Instituto FIAN. Justamente las operaciones con qudits son el principal logro del laboratorio.

Un qubit es la unidad de información más pequeña en un procesador cuántico. Si un bit (una unidad de información de un ordenador común) puede tomar solo dos valores: 0 ó 1, entonces un qubit también puede estar en su superposición. Esto significa que un qubit puede ser 0 y 1 al mismo tiempo durante los cálculos.

Físicamente, un qubit es un sistema con dos niveles de energía, uno de los cuales es un 0 lógico y el otro es un 1.

Cada nivel de energía de un ququart se puede representar como un estado de un par de qubits: el primero es 00, el segundo es 01, el tercero es 10, el cuarto es 11. “Si tomamos un par de iones con estados de energía 1 y 4, entonces el estado del registro cuántico equivalente de cuatro qubits será 0011, y para un par con estados 2 y 3, el estado del registro será 0110”, comenta Ilya Semerikov. En este ordenador ya es posible implementar los algoritmos más simples, en particular, los de Deutsch-Joji y Grover. El primero se usa para determinar el tipo de función (constante o balanceada), el segundo se usa para una búsqueda rápida en una base de datos desordenada.

“La plataforma de iones está mostrando algunos de los resultados más interesantes, lo que es especialmente notable, ya que hace cinco años atrás los iones no se consideraban una prioridad para el desarrollo. Para nosotros, este es el primer resultado significativo en el trabajo sobre la hoja de ruta para de los cálculos cuánticos”, dice Ruslan Yunusov, jefe de la Oficina de Proyectos de Tecnologías Cuánticas de la Corporación Estatal Rosatom.

¿Qué sigue?

Una de las próximas tareas que están resolviendo los científicos es lograr el entrelazamiento de varios qubits. El entrelazamiento implica cambiar el estado de un ion dependiendo del estado del otro. Por lo tanto, lo importante no es el número de elementos en el sistema, sino la capacidad de realizar operaciones conjuntas. Los científicos rusos lograron entrelazar dos ququarts utilizando el método de Melmer-Sorenson, propuesto a principios de la década de 2000. Se basa en la excitación de oscilaciones de iones en una trampa bajo la acción de un láser. Las oscilaciones conjuntas de iones en la trampa son una especie de «neumático de transferencia de datos» de la información cuántica entre partículas.

Otra tarea es crear una plataforma en la nube y acceder a través de ella al prototipo de un procesador cuántico. Los primeros experimentos remotos ya están en marcha, para una integración completa, es necesaria la coordinación final de las interfaces. Los trabajos están programados para 2022, y en ellos participarán los especialistas de Rosatom y del Centro Cuántico de Rusia.

La tercera tarea es mejorar la fidelidad, indicador de la probabilidad de un cálculo correcto. Hasta ahora, es del 66 % para operaciones de dos qubits y del 85 % para los qudits. “Dadas nuestras capacidades y el hecho de que este es el primer acercamiento al proyectil, en mi opinión, se ha obtenido un resultado alentador, que nos permite asumir la optimización de la calidad de las operaciones”, dijo Nikolay Kolachevsky, Director del Instituto de Física de la Academia de Ciencias (FIAN), durante una reunión del Consejo Científico de la Academia de Ciencias sobre las “Tecnologías Cuánticas” en diciembre del año pasado. A modo de comparación, los equipos de las empresas IONQ y Quantinuum, líderes en la creación de ordenadores cuánticos de iones, ya están trabajando con 10-20 qubits de iones en cada uno de los procesadores, y la confiabilidad de las operaciones de dos qubits ya superó el 98%.

Contexto del mercado

El mercado global de computación cuántica está en su etapa inicial de formación, todavía es difícil determinar su tamaño, ya que las estimaciones de los expertos difieren en un orden de magnitud: de $ 38 millones a $ 320 millones de dólares. Se espera que en los próximos cinco años llegue a 1-2 mil millones de dólares y puede llegar a 450-850 mil millones de dólares en los próximos 15-30 años.

Tanto los gobiernos como las corporaciones están desarrollando la computación cuántica. Las grandes inversiones en quarts son la tendencia de los últimos años. Según el Libro Blanco «Desarrollo de áreas seleccionadas de alta tecnología» publicado por la Escuela Superior de Economía en 2022, desde el 2018 se han realizado dos tercios de las inversiones totales. En 2021 aparecieron los dos primeros «unicornios cuánticos». La capitalización del startup estadounidense IonQ se valora en 2.000 millones de dólares, y la británica Arqit, en 1.400 millones.

Rusia sigue rezagada con respecto a los líderes mundiales (EE.UU., China y Alemania), pero está haciendo grandes esfuerzos financieros, organizativos y científico-tecnológicos para minimizar la brecha. En particular, Rusia representa más del 4% de los trabajos científicos, y en el campo cuántico Rusia ocupa el octavo lugar en el ranking de actividad de patentes de países. Además, en 2021 se lanzaron dos servicios experimentales en la nube de computación cuántica, en el Centro Cuántico de Rusia y la Universidad Estatal de Moscú.

En 2021, Rosatom gastó más de 6 mil millones de rublos en el desarrollo de tecnologías cuánticas y la creación de la infraestructura necesaria para la investigación. Este dinero se utilizó para comprar equipamiento y otros componentes necesarios para equipar los laboratorios. En total, para 2024, se asignarán más de 23 mil millones de rublos de fondos presupuestarios y no presupuestarios para la creación del ordenador cuántico. Como resultado del trabajo para fines de 2024 debería ser un ordenador cuántico universal con acceso a la nube.