Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) в ходе серии исследовательских экспериментов оценили ключевые характеристики первого российского прототипа 50-кубитного компьютера, построенного по технологии холодных ионов. Научная статья, в которой описаны результаты работы, опубликована в журнале «Успехи физических наук» — ведущем отечественном академическом издании, посвящённом актуальным проблемам физики.

Компьютер создан в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления», стартовавшей в 2020 году под эгидой Госкорпорации «Росатом». Как объяснили специалисты, в российском прототипе вычислителя для осуществления квантовых операций используют цепочку из 25 ионов иттербия (¹⁷¹Yb⁺). Их удерживают лазерами и охлаждают почти до абсолютного нуля. В таком состоянии кубитами управляют посредством лазерных импульсов. Квантовые алгоритмы — это последовательности таких воздействий.

«На уровне до полусотни кубитов ионные вычислители — наиболее совершенные среди квантовых устройств. При их создании одна из самых сложных задач — научиться делать запутывающие операции, для чего нужно заставить кубиты взаимодействовать друг с другом контролируемым образом. Ещё один вызов — увеличение числа кубитов без потери качества и скорости операций. Так, в ходе тестирования были исследованы ключевые характеристики прототипа компьютера — достоверность однокубитных и двухкубитных операций, а также время когерентности — согласованной работы кудитов до того, как их квантовое состояние будет разрушено», — рассказал научный сотрудник ФИАН Илья Заливако.

Одна из особенностей отечественного подхода, пояснили разработчики, — применение куквартов. Это системы, в которых ион может одновременно находиться не в двух состояниях, как в кубитах, а в четырёх, что позволяет сохранять и обрабатывать больше информации. 

Такая архитектура выгоднее для некоторых квантовых алгоритмов, и чтобы реализовать её, учёные ФИАН предложили ряд оригинальных научных и технических решений. К примеру, разработали новый способ защиты кудитов (ионов, где больше двух кубитов) от декогеренции, что важно, поскольку они, как более сложные, сильнее подвержены разрушению. Также были внедрены новые методы охлаждения ионов, фильтрации шумов лазера и многие другие инновации.

Вместе с тем в процессе испытаний учёные использовали задачи, которые в будущем позволят осуществлять реальные квантовые расчёты. В том числе осуществили алгоритмы Гровера, которые предполагают поиск по неупорядоченной базе данных, рассчитали структуру нескольких молекул и провели симуляцию ряда динамических систем.

Помимо этого, специалисты ФИАН одни из первых в мире применили ионный процессор для решения практически полезных задач. Так, в ходе эксперимента они обучили нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр. В будущем эта технология может применяться, к примеру, для быстрого поиска новых эффективных молекул, распознавания лиц, проверки ДНК и множества других операций. 

«Разработанный в нашем Институте прототип квантового компьютера — это не просто экспериментальный прототип — это полноценная платформа для проведения исследований и решения задач. Следующий этап развития системы связан с повышением точности операций и времени когерентности. Помимо этого, мы продолжаем изучать новые подходы к использованию кудитов, где являемся одними из лидеров в мире. Также осваиваем подходы к масштабированию устройств и их серийному производству», — отметил директор ФИАН, академик РАН Николай Колачевский.

Он подчеркнул, что создание коммерческих квантовых компьютеров должно стать итогом следующего этапа дорожной карты. Разработка таких систем потребует их компактизации и автоматизации. Вместе с тем серийные вычислители должны обладать большей надёжностью и не требовать постоянного обслуживания.

Источник: пресс-служба ФИАН.