Свели расчеты: в РФ создали 12-кубитный процессор на сверхпроводниках
Российские ученые запустили и испытали первый отечественный 12-кубитный квантовый процессор на сверхпроводниках. Пока разработка будет использоваться исключительно в исследовательских целях, она приближает создание квантового компьютера, который сможет решать задачи, недоступные современным вычислительным машинам. Работа над процессором заняла у ученых около года. Их следующим шагом станет создание 16-кубитного устройства. По мнению экспертов, полученный результат можно назвать заметным успехом на пути к созданию технологии производства квантовых устройств с сотнями кубитов.
Считать до 12
Специалисты Московского физико-технического университета (МФТИ) начали тестировать первый в России 12-кубитный квантовый процессор на основе сверхпроводников (материалов, проводящих электрический ток без сопротивления и потерь электроэнергии), вычислительные элементы которого изготавливаются из чистого алюминия. Процесс разработки занял около года. До конца 2024-го ученые планируют представить первый 16-кубитный процессор, созданный по той же технологии.
По словам специалистов, в наши дни над созданием квантовых процессоров работают ученые по всему миру. Это вычислительные устройства, принцип действия которых основан на явлениях квантовой механики. В будущем они смогут использоваться в квантовых компьютерах, которые предназначены для решения задач, с которыми не способны справиться привычные нам электронные вычислительные машины. Это, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические расчеты. Также активно развивается направление так называемого квантового машинного обучения.
В классическом компьютере единицей количества информации служит бит — элемент, который может быть либо «включен», либо «выключен». В квантовом устройстве эту роль выполняет кубит, который может находиться в двух состояниях одновременно. Это и открывает новые возможности для создания инновационных вычислительных машин.
Кубиты в процессоре могут иметь разное материальное воплощение. Кроме сверхпроводниковых систем для этого используют ионы, кванты света или холодные нейтральные атомы. Причем у каждой из этих технологий есть свои преимущества и недостатки. В зависимости от типа устройства оно может лучше решать одни задачи и хуже другие. Наиболее развитой сегодня считается технология создания кубитов на основе сверхпроводниковых схем. К ним относится один из самых крупных в мире 433-кубитный квантовый процессор Quantum Condor от компании IBM и 80-кубитный от компании Rigetti.
— Для нас это очередной этап, очередной важный шаг. В Физтехе уже есть хорошо отлаженная технология, с помощью которой мы производили пятикубитные и восьмикубитные квантовые микросхемы. Это сложный процесс, включающий, в частности, электронную литографию. Но на этот раз нам пришлось сильно изменить технологические чертежи, так как вместо линейной мы использовали двумерную архитектуру схемы, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Федоров.
То есть предыдущие версии процессоров строились как одномерная линия — цепочка со связью только ближайших соседей, а 12-кубитный вариант— двумерный, расположенный на плоскости, пояснил ученый.
В течение последнего года ученые разрабатывали чертежи процессора, рассчитывали его электромагнитные характеристики. Затем они провели квантово-механические расчеты и в несколько этапов изготовили образцы, после чего измеряли их параметры в комнатных условиях. Финальная версия была получена после четвертого повторения.
Возможности разработки уже испытывают на практике. Квантовая интегральная микросхема — «сердце» прототипа вычислительного устройства, состоящего из классического компьютера и квантового ускорителя. Сейчас система тестируется: запускаются алгоритмы обучения для квантовой нейросети. Программа может определять сорт вина по его химическому составу и ставить медицинские диагнозы. Испытания необходимы для подробного сравнения характеристик новой системы с результатами, полученным учеными ранее на восьмикубитном образце.
В третье измерение
По словам ученых, пока их изобретение можно использовать только в исследовательских целях. Для практического применения и достижения новых вычислительных возможностей необходим квантовый процессор минимум из 100 кубитов. Но для его создания нужно оборудование, которое позволяет размещать элементы в трех измерениях, а не только на плоскости. Сейчас его производят лишь в нескольких недружественных нам странах, таких как Германия и Южная Корея. Однако российские разработчики пытаются найти возможность закупать его.
С помощью этих устройств можно подводить управляющие линии индивидуально к каждому кубиту гораздо более свободно, чем при двумерной архитектуре. Это позволяет избежать перекрестных помех, возникающих при пересечении сигнальных линий и препятствующих правильному управлению устройством.
Работы по созданию прототипов квантовых вычислителей и симуляторов ведутся в МФТИ в рамках выполнения дорожной карты «Квантовые вычисления» на 2021–2024 годы.
Запуск 12-кубитного процессора — важное достижение, потому что это самый мощный процессор на сверхпроводниках, который сейчас есть в РФ, считает доцент физического факультета МГУ, руководитель научной группы Российского квантового центра Станислав Страупе.
— Это очередной шаг на пути к дальнейшему масштабированию. У IBM и Google уже есть процессоры с сотнями кубитов, но, чтобы дойти для таких результатов, нужно пройти большой путь. Это нужно, чтобы иметь и технологию изготовления процессоров, и управляющую ими электронику. Переход от восьми кубитов к 12 — постепенное движение в этом направлении. Дальше возможен экспоненциальный рост, — сказал Станислав Страупе.
Новый процессор — хороший результат для российской науки, поскольку он открывает перспективы для построения среднемасштабных квантовых компьютеров. Здесь нам есть к чему стремиться: в мире эта технология развита несколько лучше, подчеркнул научный руководитель лаборатории квантовых оптических технологий МГУ им. М.В. Ломоносова Сергей Кулик.
— В декабре 2023 года компания IBM объявила о создании 1121-кубитного компьютера, то есть на два порядка больше, чем наше достижение. Но для развития научных исследований любое увеличение числа кубитов — важный шаг, — сказал Сергей Кулик.
К сильным сторонам разработки можно отнести многостадийную проработку, включающую теоретические и численные расчеты, изготовление прототипов и измерение их свойств, уверен доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ Николай Ушаков.
— Возможность использования стандартных микроэлектронных технологий в основе изготовления такого процессора — важный фактор при дальнейшем масштабировании процессора. Поскольку для реализации полноценного, близкого к универсальному квантового устройства необходимо, во-первых, обеспечивать нужное состояние всех кубитов, а во-вторых, добиваться совместной эволюции их состояний, — сказал он.
Следующая разработка ученых МФТИ — 16-кубитный процессор — также будет двумерным. При его создании ученые намерены сосредоточиться на точности вычислений и правильной одновременной работе всех вычислительных элементов, что не менее важно, чем их количество.
