Кубиты берут новые высоты

Достижения и перспективы в области разработки российских квантовых компьютеров

Россия — одна из очень немногих в мире стран, которые могут похвастаться разработками квантового компьютера (или, иначе, вычислителя, процессора) на нескольких физических платформах. Эта работа ведется в рамках реализации дорожной карты высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», которой руководит «Росатом». На первом этапе дорожной карты (он завершен в 2024 году) предполагалось развитие шести технологий, из которых наилучшие результаты показали четыре: на базе ионов, атомов, сверхпроводников и фотонов. «Вестник атомпрома» решил разобраться, как устроен квантовый компьютер на каждой из этих четырех платформ, поэтому мы обратились к ключевым фигурам в каждом из направлений с просьбой рассказать о достигнутых результатах и перспективах разработок. Понять это непросто, но, надеемся, читатели смогут уложить в своей картине мира новый кусочек реальности, не похожей ни на что другое.

Квантовый компьютер на ионах

В России квантовые компьютеры на ионах развивают две команды: Ильи Семерикова из совместной лаборатории ФИАН — РКЦ и Кирилла Лахманского из РКЦ. Первая команда показала более значимые результаты, поэтому мы обратились за подробностями к научному сотруднику Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, руководителю научной группы Российского квантового центра Илье Семерикову, который рассказал нам о достигнутых результатах и дальнейших перспективах исследований.

Достижения

В 2024 году наша команда показала квантовый компьютер, состоящий из 50 кубитов на 25 ионах иттербия. Все 25 ионов находятся в одной трехмерной ловушке. Она так называется, потому что электроды расположены в трех измерениях. В ней ионы выстроены в цепочку.

Каждый ион — физическая база одного кукварта, в нем четыре энергетических уровня. Один кукварт — математический эквивалент двух кубитов (систем с двумя энергетическими уровнями). На самом деле в квантовых системах уровней может быть сколько угодно, но работать более чем с четырьмя сложно.

На 50-кубитном компьютере мы выполнили одно- и двухкубитные операции с полной связанностью. Это значит, что операцию можно выполнить между любой парой кубитов. В частности, показали выполнение алгоритмов, включая специфические кудитные – многокубитные вентили Тоффоли (по имени итало-американского ученого Томмазо Тоффоли). Они важны для алгоритмов коррекции ошибок, используются в алгоритме Шора при разложении числа на простые множители. Мы опубликовали эту работу на arXiv.org, это электронный архив с открытым доступом для научных статей, и подаем публикацию в журнал PRL, сейчас статья проходит рецензирование.

Российский ионный компьютер близко подошел к мировому рекорду по объему, но пока уступает ему в достоверности операций. Мировой рекорд — 56 кубитов с достоверностью операций 99,9%. У нашего — 50 кубитов и достоверность 91–97%. Чтобы быть ограниченным не достоверностью, а числом кубитов, нужна достоверность выше 99,9%. Чтобы поднять достоверность, необходимо модернизировать установку. Этим мы и планируем заниматься в рамках следующей дорожной карты.

Это будет уже вторая модернизация. Первая, которая прошла в 2023 году, позволила увеличить число кубитов в квантовом процессоре с 16 до 50 и поднять достоверность до нынешнего уровня с «около 90%».

Перспективы

Главная цель второй модернизации — переход от оптического кубита к микроволновому. Сейчас мы кодируем информацию в оптическом кубите, где разница между энергетическими уровнями в ионе иттербия соответствует оптическому диапазону, это сотни терагерц, а перейдем мы в микроволновый диапазон, около 12 гигагерц, что на несколько порядков меньше. Образно говоря, разница между двумя энергетическими уровнями будет не как между первым и вторым этажом, а как между первой и второй ступеньками лестницы.

На микроволновых кубитах можно будет выполнять операции с гораздо более высокой достоверностью, так как на систему меньше влияют фазовые шумы лазера, она менее чувствительна к шумам магнитного поля, у системы выше время когерентности, а именно время когерентности ограничивает достоверность операций на сегодня. И надо сказать, что самый мощный квантовый компьютер на ионах сделан на иттербии-171 на микроволновом кубите.

В настоящее время мы достраиваем вторую «машину» — комплекс оборудования, на котором будут создавать микроволновый компьютер. Планируем его запустить в этом году. Думаю, в течение 2025 года мы микроволновый компьютер покажем и поднимем достоверность двухкубитных операций выше 99%. Достоверность — это ключ к квантовым вычислениям.

Впрочем, в ФИАН оптический квантовый компьютер не забросят. На первой машине будем на 10 ионах и, соответственно, 20 кубитах запускать алгоритмы. Это оптимум, когда и кубитов достаточно, и достоверность высока. Сейчас средняя достоверность двухкубитных операций на массиве из 10 ионов составляет 96,3%. Есть большой список от наших коллег-алгоритмистов, которые хотели бы их запустить.

Алгоритмы коррекции ошибок запускать на ионном квантовом компьютере думаем лишь через несколько лет. Сначала надо поднять достоверность двухкубитных операций на аппаратном уровне выше 99,9%. Без этого эффективно запустить алгоритмы не получится. Да и во всем мире алгоритмы коррекции ошибок на самом деле не особо увеличивают достоверность операций.

Еще одно направление развития — планарные ловушки, которые должны заменить трехмерные. Их главное преимущество в том, что в планарных ловушках можно физически перемещать пару ионов с одного места на другое, в трехмерных такое невозможно. Использование планарных ловушек даст возможность ввести в систему гораздо большее число кубитов без потери качества двухкубитных операций.

В ФИАН сделали несколько поколений планарных ловушек, но пока ни одна модель не достигла нужных показателей. Мы надеемся, что в этом году все-таки создадим первое успешное поколение планарных ловушек, поймаем туда ионы и будем с ними работать, потому что полноценное масштабирование свыше 50 кубитов с высокими достоверностями возможно только в сложных планарных системах.

Квантовый компьютер на нейтральных атомах

Над созданием квантового компьютера на базе нейтральных атомов работает группа Станислава Страупе, возглавляющего сектор квантовых вычислений центра квантовых технологий МГУ. Он рассказал о достигнутых результатах и задачах, которые решает группа.

В лаборатории МГУ работают сотрудники университета и Российского квантового центра. Нашу установку мы развиваем несколько лет, она постепенно совершенствуется.

В 2024 году мы улучшили прототип квантового процессора, усовершенствовав систему, которая формирует оптические пинцеты, что позволяет нам получать больше пинцетов. Оптический пинцет — это устройство, которое дает возможность захватывать и удерживать одиночные атомы, а также адресно воздействовать на отдельные атомы рубидия и управлять частотой кубитного перехода. Увеличение числа оптических пинцетов позволило собрать упорядоченный массив большего, чем прежде, размера. Сейчас мы за разумное время можем упорядоченным образом захватить в ловушки 50 атомов рубидия.

Чтобы захватывать атомы пинцетом, нужна определенная минимальная мощность. Чем больше пинцет, тем большая мощность лазера требуется. В прошлом году мы модифицировали систему, увеличили мощность и можем суммарно создавать массивы из более чем 200 пинцетов. Из этого большого массива мы собираем в упорядоченную часть до 50 атомов. Путь к дальнейшему масштабированию нашего компьютера — это увеличение мощности лазерной системы и увеличение времени жизни в атомных ловушках, чтобы во время сборки атомы из них не вылетали. В 2025 году у нас стоит задача сделать компьютер на базе 70 атомов. Дальше — больше: до 300 упорядоченных атомов в ближайшие годы.

Мы начали выполнять различные операции с индивидуальной адресацией. Однокубитные операции делаем с точностью порядка 99,8–99,9%, двухкубитные — пока с меньшей. В контрольном эксперименте в декабре 2024 года был зафиксирован результат около 90%.

Поэтому самая главная наша задача сейчас — увеличение точности двухкубитных операций. Увеличить точность можно двумя способами. Первый — снизить температуру. Атомы в нашей системе, конечно, холодные, но не абсолютно, они в ловушке двигаются. Чем больше тепловое движение, тем больше вероятность ошибки. Дело в том, что операции выполняются сфокусированными лазерными пучками. Когда атом в пучке двигается, это приводит к случайным флуктуациям величины воздействия на него со стороны пучка, и это выглядит как декогеренция. Чем ниже температура, тем меньше тепловое движение, тем выше точность. Поэтому наша задача — это охлаждение системы как можно ближе к абсолютному нулю. Если сейчас у нас десятки микрокельвинов, то желательно получить единицы микрокельвинов.

Второй путь — отказаться от локальной адресации при возбуждении атомов, делать глобальные пучки. Для этого необходимо сильно повысить мощность лазерной системы, возбуждающей ридберговское (высоковозбужденное) состояние. В таком состоянии у атомов резко увеличивается дипольный момент (расстояние от ядра до границы атома — атомы «распухают»), и благодаря диполь-дипольному взаимодействию они начинают взаимодействовать друг с другом, становятся возможными запутывание кубитов и квантовые операции, прежде всего двухкубитные гейты. Чем жестче сфокусирован лазерный пучок возбуждения, тем меньше мощности требуется, чтобы быстро приводить атомы в возбужденное состояние. Быстро, потому что чем больше атомы проводят в этом состоянии, тем хуже получается гейт. Но можно организовывать глобальное ридберговское возбуждение, а адресацию к отдельным атомам выполнять за счет их перемещения. Так делают в Гарварде, где также занимаются компьютерами на нейтральных атомах. Мы тоже можем пойти по этому пути, у нас лазер достаточной мощности теперь есть. Правда, систему ридберговского возбуждения собирать мы еще не начали. Думаю, что в этом году мы займемся сборкой, и это будет либо альтернатива, либо мы как-то оба пути совместим. Пока основная задача — уменьшить температуру системы и тем самым идти к повышению точности.

Наши 50 кубитов структурированы в прямоугольный массив. В перспективе их можно будет перемещать во время выполнения алгоритма и тем самым увеличивать связность квантового регистра. Поясню: если у заряженных ионов любой ион связан с любым, то в атомном регистре двухкубитные гейты можно делать только между ближайшими соседями. А передвигая атомы в процессе алгоритма, это ограничение можно обойти. Мы примерно понимаем, как это делать: надо использовать тот же оптический пинцет, которым мы сортируем атомы, но сделать его не однолучевым, как сейчас, а многолучевым, чтобы несколькими лучами синхронно по одному алгоритму группы атомов передвигать. Тогда мы сможем эффективно менять конфигурацию массива в процессе алгоритма. Такую установку мы тоже делаем. Она разработана, но пока не внедрена, мы тестируем электронику и софт для управления многолучевым пинцетом. При перемещениях важно, чтобы атомы не нагревались, а их энергия не увеличивалась. Если подобрать оптимальные профили скорости перемещения и плавно разгонять, плавно тормозить по специальному закону, можно рассчитать процесс таким образом, чтобы увеличения энергии не происходило.

Для управления холодными атомами пока специализированные алгоритмы не нужны. Наш компилятор использует алгоритмы, написанные с помощью, например, библиотеки IBM Qiskit, которой все пользуются, под нашу машину. Можно и специально под наше «железо» оптимизировать существующие алгоритмы и получить от этого какие-то преимущества, но пока это не приоритетная задача. Хотя думать об этом, конечно, надо, и в этом мы рассчитываем на коллег из Российского квантового центра.

На нашем компьютере уже можно запускать алгоритмы. Например, на двух кубитах мы можем рассчитать энергию основного состояния молекулы водорода. На большем числе кубитов возникает ограничение по точности. Прежде чем мы сможем вести расчеты на всех 50 атомах, мы должны значительно увеличить точность.

Мы не говорим пока, что наш квантовый компьютер делает что-то быстрее классического, но было бы хорошо, если бы в рамках новой квантовой дорожной карты, до 2030 года, это произошло.

Квантовый компьютер на сверхпроводниках

Созданием квантовых процессоров на сверхпроводниках занимается Университет науки и технологий «МИСИС» (НИТУ «МИСИС»). Об истории и текущих разработках для сверхпроводникового квантового процессора нам рассказала директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ «МИСИС» Наталия Малеева.

НИТУ «МИСИС» в сотрудничестве с Институтом нанотехнологий и микроэлектроники РАН, Московским физико-техническим институтом (МФТИ) и Российским квантовым центром (РКЦ) работает над созданием универсального масштабируемого сверхпроводникового квантового процессора.

Немного истории. Десять лет назад мы совместно с Институтом физики твердого тела РАН, МФТИ и РКЦ впервые в России спроектировали, изготовили и измерили сверхпроводниковый кубит. Следующим важным этапом стало создание двухкубитного процессора — элементарной ячейки любого квантового процессора.

Поясню. Сверхпроводниковые кубиты представляют собой электрические цепи, составленные из джозефсоновских контактов (два слоя сверхпроводника, разделенные несколькими нанометрами диэлектрика) и сверхпроводниковых сосредоточенных или распределенных пассивных элементов. Такие схемы представляют собой нелинейные квантовые осцилляторы (системы, совершающие колебания. — Примеч. ред.). В их энергетическом спектре можно выделить два нижних уровня, пригодных для выполнения квантовых операций. Мы изготавливаем наши кубиты, напыляя тонкие алюминиевые пленки на подложки из кремния с помощью метода микролитографии. Готовый чип устанавливается в медный держатель образца. Его мы монтируем в криостат и охлаждаем до температуры 30 милликельвин. Это в 100 раз холоднее, чем в открытом космосе, или в 10 000 раз холоднее, чем комнатная температура.

Дальше мы двигались по пути наращивания числа трансмонов, совместно работающих в одном процессоре. Трансмон — это сверхпроводниковый кубит, который в нашем случае состоит из системы трех джозефсоновских контактов и большого конденсатора. За последние четыре года мы прошли путь от элементарной ячейки из двух трансмонов до процессора с восемью вычислительными трансмонами и выполнили на нем первые квантовые алгоритмы. Все это стало возможным благодаря, в частности, научно-исследовательской инфраструктуре, развиваемой в НИТУ «МИСИС» при поддержке Минобрнауки в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (стратегический проект «Квантовый интернет»). Программа действует с 2021 года.

Восьмикубитный квантовый процессор работает в МИСИС уже год. Наш процессор состоит из восьми вычислительных трансмонов и десяти вспомогательных кубитов, которые позволяют включать и выключать связь между вычислительными трансмонами. Таким образом обеспечивается реализация логических операций, из которых составляются квантовые алгоритмы. Процессоры такого масштаба могут применяться для научных исследований, а также для прототипирования квантовых алгоритмов. На процессоре МИСИС мы уже приступили к этим задачам — например, выполнили квантовый алгоритм на кутрите. Кутрит — это физическая система, где задействованы не два уровня, как в кубите, а три. Благодаря использованию трех уровней вычислительное пространство расширяется, и можно выполнить больше операций в единицу времени. Также мы выполнили на нашем процессоре первый алгоритм в интересах индустриального партнера. Это важный этап перехода от научных исследований к прикладному использованию.

Точность однокубитных операций нашего восьмикубитного процессора достигает 99,89%, точность двухкубитных операций лежит в интервале 97,9±0,3%. Это довольно высокие значения, и тем не менее мы видим пути усовершенствования наших процессоров и работаем над увеличением точностей логических операций. Время выполнения однокубитной операции составляет 20 нс, двухкубитной — 55 нс при времени когерентности кубита порядка 10 мкс. Увеличение времени когерентности — еще одна важнейшая задача.

Сейчас мы продолжаем эксперименты на восьмикубитном процессоре, развиваем технологию изготовления кубитов, работаем над повышением их качества, над методами управления и считывания и над масштабированием. Процессор следующего поколения будет как минимум в два раза больше имеющегося. Также в этом году мы работаем над совмещением процессора МИСИС с облачной платформой, позволяющей удаленно получать доступ к работе с процессором. Еще одна амбициозная задача, которую мы поставили перед собой в этом году, — демонстрация логического кубита. Такая демонстрация — важная веха на пути к универсальному квантовому компьютеру.

Эти исследования мы проводим при поддержке «Росатома» в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления».

Параллельно с работой над трансмонным процессором мы занялись пионерскими работами по созданию квантового процессора на основе флаксониумов (джозефсоновский контакт и большая индуктивность). Использование флаксониумов привлекательно увеличением точности двухкубитных логических операций и времени жизни кубитов. Время жизни — одна из ключевых характеристик кубита. Если упростить, то это время, в течение которого кубит помнит, какое состояние в нем было записано. Дальнейшее масштабирование квантовых процессоров мы видим в использовании именно флаксониумов в качестве вычислительных кубитов.

Квантовый компьютер на фотонах

Над фотонным направлением работают несколько команд. Универсальный квантовый процессор разрабатывает команда Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, фотонный симулятор «Интегральная когерентная машина Изинга» — Российский квантовый центр (РКЦ). Старший научный сотрудник Российского квантового центра, руководитель группы сопровождения внутренних научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в компании «Росатом Квантовые технологии» Дмитрий Чермошенцев рассказал о том, как развиваются квантовые вычислители на фотонах.

Вычислители на фотонах представляют из себя фотонно-интегральные схемы (ФИС). Это специальные полупроводниковые чипы, похожие на микросхемы в обычном, классическом, компьютере, только вместо электронов в них распространяются фотоны. Кубиты представляют из себя либо какие-то параметры фотонов или оптических мод, например поляризации или фазы, либо «путь» фотона. Условно, наличие или отсутствие фотона на детекторе. Иначе говоря, фотон заводится в ФИС, например, из стекла или нитрида кремния, на котором закодированы некоторые матрицы, при помощи систем интерферометров Маха — Цендера, управление которыми осуществляется при помощи нагрева.

Наш процессор на фотонах работает с 35 кубитами и реализует процедуру бозонного сэмплирования. Это специальная архитектура квантового компьютера. Достоверность двухкубитных операций в такой системе превышает 93%, это достаточно хороший результат, но нам есть куда стремиться. При фотонных вычислениях все происходит очень быстро, поскольку все определяется временем распространения фотона внутри интегрального чипа. Параметры системы соответствуют показателям, которые прописаны в требованиях дорожной карты «Квантовые вычисления».

В прошлом году нашей основной задачей было масштабирование системы без существенного ухудшения качества операций. Для этого мы разработали специальную схему с линиями задержки, чтобы большее количество фотонов могло находиться внутри системы. Основная трудность — согласовывать время излучения от однофотонных источников, которые представляют из себя квантовые точки. Линии задержки позволяют удерживать фотон внутри системы какое-то время, что как раз помогло частично решить проблему с масштабированием.

Масштабирование фотонного квантового компьютера столь важно потому, что это постепенно приближает нас к порогу демонстрации квантового превосходства на задаче бозонного сэмплирования. Несколько команд в мире на других платформах уже достигли этой вехи. Например, Google реализовала это на сверхпроводящем чипе. На фотонном квантовом компьютере такая задача была решена китайской командой под руководством профессора Жан-Вей Пэна, однако их система была не интегральной, а собранной на оптическом столе.

Создать такую систему на чипе сложно из-за кросс-влияния элементов друг на друга при нагреве, ведь именно с помощью нагрева волноводов сейчас кодируются параметры в интегральные системы. Чтобы правильно учитывать кросс-воздействие, необходимо калибровать систему. Тут, думаю, может помочь искусственный интеллект.

В рамках разработки устройств когерентных машин Изинга также стоит задача масштабирования системы. Это необходимо, чтобы начать решать прикладные задачи. На текущий момент по этому направлению командой Российского квантового центра был повторен лучший из известных результатов в случае интегральной структуры. Удалось связать два осциллятора на чипе из нитрида кремния и продемонстрировать возможность его программирования. Масштабирование таких систем позволит нам перейти к решению прикладных задач, которые формулируются на языке дискретной комбинаторной оптимизации. Это значит, что нам необходимо найти оптимум некоторой целевой функции на последовательности нулей и единиц. Если количество переменных очень большое, например 1000, то, чтобы точно решить эту задачу, нам необходимо на классическом компьютере проанализировать 2¹⁰⁰⁰ переменных, что невозможно сделать за короткое время. А вот симуляторы типа Изинга такие задачи решать могут. Поэтому основная задача сейчас — переход от единиц переменных в таких системах к десяткам и тысячам, а цель — решение задач финансового сектора, логистики, оптимизация производственных цепочек и т. д.

Сейчас, на мой взгляд, мы находимся в том моменте времени, когда квантовые вычислители постепенно переходят из лабораторных образцов к системам, которые могут решать какие-то полезные задачи. Поэтому надо не только масштабировать вычислители, но и находить задачи, которые можно решать с их помощью наиболее эффективно. Кроме того, большие усилия по всему миру прикладываются для решения технологических сложностей при производстве чипов, ведь качество их изготовления напрямую влияет на потери в системе. Интегральная фотонная платформа очень привлекательна компактностью и тем, что ей не обязательно нужны сверхнизкие температуры для работы. Поэтому ФИС наиболее интересны с точки зрения создания гибридных квантово-классических компьютеров в будущем. Представьте, что такой небольшой квантово-оптический модуль установлен в вашем ноутбуке и подключается к работе классического компьютера, когда необходимо решить сложнейшую задачу.