В России заработал сверхпроводниковый квантовый процессор, который показал самую высокую точность операций среди российских устройств. Его характеристики сопоставимы с достижениями ведущих мировых разработчиков квантовой техники. Более того, полученные параметры позволили специалистам с его помощью решить ряд сложных уравнений. Это прокладывает путь к дальнейшему практическому применению квантовых компьютеров, считают эксперты.
Точность — определяющий фактор
Российские ученые из научно-образовательного центра «Функциональные микро/наносистемы», который создан на базе Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики (ВНИИА) им. Н. Л. Духова, запустили в работу первый отечественный высокоточный сверхпроводниковый квантовый процессор.
Точность выполнения на новом устройстве простых однокубитных алгоритмов (кубит — единица квантовых вычислений) составила 99,76%, а более сложных двухкубитных операций — 99,11%.
Достигнутые параметры — рекордные для российской науки и сопоставимы с лучшими мировыми достижениями. К примеру, в самом современном квантовом процессоре IBM Torino 133 с архитектурой Heron R1 средняя точность двухкубитных операций равна 99,14%, что лишь немного превышает российский результат.
Справка «Известий»Квантовые процессоры — это устройства, которые используют принципы квантовой физики для обработки информации. В частности, вычислительные операции реализуются с помощью частиц в состоянии суперпозиции. То есть они могут находиться в нескольких местах или проявлять несколько свойств одновременно. Это позволяет производить множество параллельных операций, что ускоряет скорость расчетов и при этом задействовать меньше вычислительных мощностей. При этом результаты квантовых вычислений носят вероятностный характер.
Как рассказали разработчики, процессор получил название Snowdrop 4Q. Это система, в которую входит сам чип на основе четырех кубитов, модули считывания их сигналов с параметрическими криоусилителями и блоки управляющей электроники.
Полученные характеристики устройства позволили впервые в России реализовать серию сложных алгоритмов, которые состоят из сотни квантовых логических операций. В частности, была смоделирована намагниченность материала (модель Изинга), решено уравнение теплопроводности и реализован квантовый алгоритм для решения систем уравнений.
— Лучшее испытание для процессора — это запустить на нем сложный алгоритм с использованием всех имеющихся кубитов, что мы и сделали. Непосредственно калибровка и полная характеризация квантовой системы — сложный процесс, и над ним мы работали последние три месяца. Точности логических операций, которых достиг наш чип, позволили провести целую серию операций, направленных на решение практических задач ФГУП ВНИИА, — сообщил «Известиям» ведущий разработчик квантовых процессоров Научно-образовательного центра Никита Смирнов.
Он добавил, что в рамках экспериментов ученые опробовали собственный метод смягчения ошибок, основанный на нейросетевом обучении. Для оценки результатов, полученных на процессоре Snowdrop 4Q, ученые запустили те же алгоритмы на 127-кубитном чипе IBM Eagle в облачном доступе. Точности российского процессора подтвердились на более мощном американском аналоге.
— Одна из проблем квантовых процессоров в том, что кубиты — это не изолированная система. Они взаимодействуют с окружением, которое является источником шумов. Эти шумы приводят к тому, что квантовое состояние системы разрушается и переходит в случайное. Полностью побороть это явление невозможно, но можно использовать коррекцию ошибок, чтобы из большого числа кубитов собирать один логический, — отметил руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ Станислав Страупе.
Квантовый сопроцессор
Как рассказал научный руководитель ВНИИА Александр Андрияш, команда разрабатывает и реализует ряд практически значимых квантовых алгоритмов, позволяющих ускорить решение важных задач физического моделирования.
— Мы достигли знакового результата, к которому шли почти три года — от разработки эффективного квантового алгоритма до его запуска на квантовом «железе». В итоге мы убедились в том, что наш подход работает и, более того, прокладывает путь к созданию практически полезного вычислителя. В планах — дальнейшее улучшение уже серийных технологий изготовления квантовых устройств и увеличение количества кубитов с повышением точности квантовых операций, — сообщил ученый.
Он уточнил, что представленная разработка выступает в роли сопроцессора для классического компьютера. С его помощью специалисты смогут решить наиболее трудные для традиционной микроэлектроники подзадачи.
Руководитель добавил, что чипы изготовлены по воспроизводимой технологии Научно-образовательного центра. Это позволяет, с одной стороны, развивать мощности уже созданного вычислительного комплекса, а с другой стороны, серийно изготавливать новые квантовые компьютеры, которые ориентированы на конкретные технические проекты.
— Преимущества сверхпроводниковых кубитов — в возможности выбора способов их связи друг с другом и методов реализации логических операций. При этом технология позволяет наращивать мощности компьютеров, увеличивая количество кубитов. Важно также, что производство таких устройств хорошо освоено, — прокомментировал разработку младший научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» Российского квантового центра Илья Симаков.
К недостаткам же сверхпроводниковых кубитов относятся дефекты, которые в них присутствуют. Они влияют на работу устройств и способны создавать ошибки. Также реализации этих решений препятствует дороговизна оборудования для достижения сверхнизких температур.
— Результаты, полученные учеными, по сути, означают, что в нашей стране создан независимый, работоспособный, пусть и небольшой, квантовый компьютер. Это дает возможность отечественным науке и промышленности решать задачи, используя квантовые вычисления, на собственной технологической базе, что позволяет прогрессировать вне зависимости от международной обстановки, — поделился своим мнением профессор кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники МГУ Николай Кленов.
Он добавил, что, вероятно, уже в ближайшее время квантовые процессоры станут обязательной частью инфраструктуры любого суперкомпьютера. Это существенно расширит функционал вычислительных комплексов и обеспечит прорывы в материаловедении, ядерных технологиях, высокоточной микроэлектронике и других сферах.
Директор Физического института имени П.Н. Лебедева Николай Колачевский подчеркнул, что разработка архитектуры сверхпроводниковых квантовых процессоров достаточно хрупкая и требует от разработчиков изобретательности и высокой технической культуры. Однако, по его мнению, главное достижение российских ученых не в создании «железа», а в разработке эффективных способов для проведения расчетов с применением квантовых технологий.
— В настоящее время в этой сфере не существует готовых решений, и каждая группа исследователей ищет самостоятельные пути. В частности, авторы проекта продемонстрировали возможности оптимизации вычислений квантовыми методами, разработав новаторские алгоритмы для уравнений теплопроводности и моделирования ряда сложных физических процессов, — подчеркнул эксперт.
Он добавил, что в этой сфере благодаря сильной отечественной физической и математической школе российские специалисты во многом опережают зарубежных разработчиков.