Российские ученые разработали двухкудитный квантовый процессор. Он эквивалентен четырехкубитному квантовому компьютеру — системе из четырех ионов с двумя энергетическими состояниями в каждом. Создание квантового процессора — главная задача, которую курирует Росатом в рамках дорожной карты «Квантовые технологии».
В рамках дорожной карты «Квантовые технологии» ученые разрабатывают квантовые процессоры на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов. В совместной лаборатории ФИАН и Российского Квантового Центра (РКЦ) работают с ионами иттербия, который считают наиболее подходящим для создания квантового компьютера.
Каждый из двух ионов, с которыми работали ученые, — это кукварт, то есть кудит, способный одновременно находиться в четырех электронных состояниях.
Кудит — это кубит с тремя и более энергетическими уровнями. Образно его можно представить, как дом с несколькими этажами. «Переход с одного энергетического уровня на другой — это изменение состояния электронной оболочки иона. При этом изменяется волновая функция электронной оболочки иона», — комментирует научный сотрудник ФИАН Илья Семериков. Именно в операциях с кудитами и состоит главное достижение лаборатории.
Кубит — это минимальная единица информации квантового процессора. Если бит (единица информации обычного компьютера) может принимать только два значения — 0 или 1, то кубит может находиться ещё и в их суперпозиции. Это означает, что в процессе вычислений кубит может быть одновременно и в значении 0, и в значении 1.
Физически кубит — это система с двумя энергетическими уровнями, под одним из которых понимается логический 0, под другим — 1.
Каждый энергетический уровень кукварта можно представить как состояние пары кубитов: первый — 00, второй — 01, третий — 10, четвертый — 11. «Если взять пару ионов с энергетическими состояниями 1 и 4, то состояние эквивалентного квантового регистра из четырех кубитов будет 0011, а у пары с состояниями 2 и 3 состояние регистра будет 0110», — комментирует Илья Семериков. На этом компьютере уже можно реализовывать простейшие алгоритмы, в частности, Дойча-Йожи и Гровера. Первый применяется для определения типа функции (константная или сбалансированная), второй — для быстрого поиска в неупорядоченной базе данных.
«Платформа на ионах демонстрирует одни из самых интересных результатов, что особенно примечательно, так как пять лет назад ионы не считались приоритетным направлением развития. Для нас это первый значимый результат в работе над дорожной картой по квантовым вычислениям», — отмечает руководитель проектного офиса по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом» Руслан Юнусов.
Что дальше
Одна из следующих задач, которую решают ученые, — добиться перепутывания нескольких кубитов. Перепутывание предполагает изменение состояния одного иона в зависимости от состояния другого. Поэтому важно не количество элементов в системе, а возможность делать совместные операции. Российским ученым удалось перепутать два кукварта по методу Мельмера-Соренсона, предложенному в начале 2000‑х годов. Он основан на возбуждении колебаний ионов в ловушке под действием лазера. Совместные колебания ионов в ловушке — это своеобразная «шина передачи данных» квантовой информации между частицами.
Еще одна задача — создание облачной платформы и доступа через нее к прототипу квантового процессора. Первые дистанционные эксперименты уже идут, для полноценной интеграции необходимо окончательное согласование интерфейсов. Работы запланированы на 2022 год, в них будут участвовать специалисты Росатома и «Российского квантового центра».
Третья задача — улучшение фиделити — показателя вероятности корректного вычисления. Пока он составляет 66 % для двухкубитных операций и 85 % — для кудитных. «Учитывая наши возможности и то, что это первый подход к снаряду, получен, на мой взгляд, обнадеживающий результат, который позволяет взяться за оптимизацию качества операций», — заявил директор Физического института Академии наук (ФИАН) Николай Колачевский на заседании научного совета РАН «Квантовые технологии» в декабре прошлого года. Для сравнения, команды компаний IONQ и Quantinuum — лидеров в создании квантовых компьютеров на ионах, — уже работают с 10–20‑ионными кубитами в каждом из процессоров, и достоверность двухкубитных операций у них уже превысила 98 %.
Рыночный контекст
Мировой рынок квантовых вычислений находится в стадии формирования, определить размер его пока сложно, так как экспертные оценки различаются на порядок — от 38 млн долларов до 320 млн долларов. Предполагается, что в ближайшие пять лет он достигнет 1–2 млрд долларов и может достичь 450–850 млрд долларов в течение следующих 15–30 лет.
Развивают квантовые вычисления как государства, так и корпорации. Крупные вложения в кванты — тенденция последних нескольких лет. По данным Белой книги «Развитие отдельных высокотехнологичных направлений», выпущенной НИУ ВШЭ в 2022 году, две трети общего объема инвестиций были сделаны, начиная с 2018 года. В 2021 году появились первые два «квантовых единорога». Капитализация американского стартапа IonQ оценивается в 2 млрд долларов, британского Arqit — в 1,4 млрд долларов.
Россия пока отстает от мировых лидеров (США, Китая и Германии), но предпринимает большие финансовые, организационные и научно-технологические усилия, чтобы отставание минимизировать. В частности, на долю России приходится более 4 % научных работ, Россия находится на 8‑м месте в рейтинге патентной активности стран в квантовой сфере. Кроме того, в 2021 году заработали два экспериментальных облачных сервиса квантовых вычислений — в «Российском квантовом центре» и МГУ.
В 2021 году Росатом направил на развитие квантовых технологий и создание необходимой исследовательской инфраструктуры более 6 млрд рублей. На эти деньги купили оборудование и другие необходимые компоненты для оснащения лабораторий. В общей сложности до 2024 года на создание квантового компьютера будет направлено более 23 млрд рублей бюджетных и внебюджетных средств. Итогом работы к концу 2024 года должен стать универсальный квантовый компьютер с облачным доступом.
