Полгода назад я уже рассказывал о том, что российские ученые создали 16-кубитный ионный квантовый компьютер. Этот компьютер был разработан в рамках реализации плана по квантовым вычислениям командой ученых из Российского квантового центра и физического института им. И. П. Лебедева РАН при координации госкорпорации "Росатом".
Теперь же и ученые МФТИ запустили первый в России 12-кубитный квантовый процессор на основе сверхпроводников и протестировали его уже для задач квантового машинного обучения.
Прежде чем я продолжу про 12-куьитную разработку, давайте проследим эволюцию сверхпроводниковых квантовых микросхем в России. Она довольно небольшая, поскольку к практическим реализациям квантовых систем мы приступили относительно недавно.
Начало. 5-кубитная микросхема
История началась в начале 2021 года, когда сотрудниками лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ была разработана демонстрационная 5-кубитная сверхпроводниковая интегральная квантовая микросхема, которая была изготовлена на технологической базе Центра коллективного пользования МФТИ.
В схеме использованы емкостно шунтированные зарядовые кубиты, которые представляют собой нелинейные колебательные LC-контуры, работающие в квантовом режиме. Они электрически связаны друг с другом и могут как обмениваться энергией, так и управляемо изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний |0⟩ и |1⟩. Первый тип взаимодействия используется в экспериментах по квантовому машинному обучению, а второй удобнее для стандартных квантовых алгоритмов.
К началу 2022 года был решен ряд технологических и измерительных проблем, что дало возможность осуществлять управляемое взаимодействие пар соседних кубитов. 2-кубитные операции были реализованы на основе быстрой индивидуальной перестройки частоты (использованы вентили iSWAP с эффективностью более 80 процентов). Удалось добиться воспроизводимости кубитов в многокубитной схеме, что подтвердило высокий уровень технологии.
В конце 2022 года в МФТИ был проведён эксперимент по реализации 4-кубитного квантового процессора на основе вышеупомянутой сверхпроводниковой интегральной квантовой микросхемы.
Двухкубитные операции контролируемого одним кубитом поворота другого кубита (называемые операцией CZ), необходимые для создания квантовой запутанности в схеме, показаны на парах соседних кубитов. Точность этих операций измерялась с использованием томографии квантовых процессов и с применением перекрестного тестирования.
Реализовать калибровку операции CZ позволило дополнительно предоставленное сотрудниками лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС оборудование, а также программный код, созданный в рамках общего проекта.
Удалось показать высокоэффективные квантовые операции на системе четырех кубитов, что являлось уникальным достижением для российских квантовых технологий того времени.
В проведенном эксперименте время отдельной логической операции составляло около 0,025 мкс. Это позволяло реализовывать более 3200 операций за время жизни квантового состояния процессора.
При изготовлении квантовой интегральной микросхемы технологами из МФТИ были отработаны важные особенности технологического процесса, что позволило существенно улучшить ключевые характеристики кубитов.
Продолжение. 8-кубитная микросхема
В конце 2023 года специалисты НИТУ МИСИС вместе с коллегами из МФТИ и Российского квантового центра разработали и протестировали первый в нашей стране квантовый процессор, состоящий из восьми сверхпроводниковых кубитов. В ходе контрольного эксперимента с участием представителей ООО «СП „Квант“» (ГК «Росатом») и РКЦ была продемонстрирована точность 2-кубитной операции свыше 95%.
Эксперимент по тестированию процессора провели в криостате растворения в лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС. Такие криостаты позволяют охлаждать систему до абсолютного нуля, точнее до 8 мК (-273,142°C).
Квантовый процессор включает в себя кубиты нового типа концентрической формы и перестраиваемые элементы связи между ними. Этот метод связи считается наиболее перспективным, поскольку позволяет регулировать взаимодействие между кубитами и предотвращает утечку квантового состояния из вычислительного пространства.
Хотя в процессоре восемь кубитов, по точности двухкубитных операций он превосходит, например, 80-кубитный процессор, ранее представленный компанией Rigetti и занявший второе место в мире по количеству физических кубитов среди сверхпроводниковых процессоров.
Увеличение количества кубитов в процессоре не связано напрямую с увеличением его мощности, которая определяется так называемым квантовым объемом. В простейшем случае, квантовый объем пропорционален произведению числа кубитов на число квантовых операций, которые можно выполнить с относительно малым количеством ошибок. Поэтому достижение высокой точности выполнения квантовых логических операций отдельными кубитами играет не менее важную роль, чем увеличение их количества в квантовом процессоре.
Теперь 12-кубитная система
Итак, возвращаемся к теме сегодняшней статьи. Презентованный в начале 2024-го года в МФТИ 12-кубитный процессор обладает характеристиками мирового уровня. Среднее время релаксации составляет 14 микросекунд, дефазировки — 7 микросекунд, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Эти параметры являются ключевыми для обеспечения высокой точности и стабильности квантовых вычислений.
Характеристики устройства по сравнению с разработками прошлых лет улучшились, несмотря на существенное усложнение схемы и санкционные ограничения, касающиеся ключевого технологического оборудования.
На Физтехе уже есть хорошо отлаженная технология, с помощью которой производились 5-кубитные и 8-кубитные квантовые интегральные микросхемы. Это сам по себе сложный процесс, использующий, в частности, электронную литографию. Но на этот раз пришлось сильно изменить технологические чертежи, так как вместо линейной была использована двумерная архитектура схемы.
Предыдущие версии процессоров строились как одномерная линия — цепочка со связью только ближайших соседей, а 12-кубитный вариант — двумерный, расположенный на плоскости. В дальнейшем надо будет переходить и на трёхмерную архитектуру.
В течение 2023-го года ученые разрабатывали чертежи процессора, рассчитывали его электромагнитные характеристики. Были проведены квантово-механические расчеты и в несколько этапов изготовлены опытные образцы. Измерялись их параметры в комнатных условиях, а финальная версия процессора была получена уже на четвертой итерации.
Квантовая интегральная микросхема является «сердцем» прототипа квантового вычислительного устройства, состоящего из классического компьютера и квантового «ускорителя».
Возможности 12-кубитного процессора в настоящее время испытываются на практике. Сейчас система тестируется: запускаются алгоритмы обучения для квантовой нейросети, которая может определять определять сорт вина по его химическому составу и диагностировать рак молочной железы. Это необходимо для подробного сравнения характеристик новой системы с результатами, полученным учеными ранее на 8-кубитном образце.
Текущий 12-кубитный процессор можно использовать только для исследовательских целей. Для практического применения и достижения конкурентного преимущества 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.
Замечу, что самым масштабным в мире сверхпроводниковым квантовым процессором является 433-кубитный Quantum Condor от компании IBM.
Поскольку практическим этапом по построению квантовых процессоров Россия стала заниматься совсем недавно, своего оборудования для построения трёхмерных конструкций из сверхпроводящих кубитов у нас нет. Сейчас такое оборудование производят лишь в нескольких недружественных нам странах мира таких, как Германия и Южная Корея.
Но других вариантов пока нет, и российские разработчики пытаются найти возможность закупать его. С помощью иностранных устройств можно подводить управляющие линии индивидуально к каждому кубиту гораздо более свободно, чем при двумерной архитектуре. Это позволяет избежать перекрестных помех, возникающих при пересечений сигнальных линий и препятствующих правильному управлению устройством.
16-кубитная сверхпроводниковая система к концу 2024 года!
Следующая разработка — 16-кубитный процессор — также будет двумерным. При его создании ученые намерены сосредоточиться на точности вычислений и одновременной работе всех вычислительных элементов, что не менее важно, чем их количество.
Заключение
Исходя из того, что квантовые процессоры начали испытывать, как основа для работы алгоритмов обучения нейросетей, становится очевидным одна из целей разработки квантовых компьютеров — построение искусственного интеллекта, приближающегося по своим характеристикам к интеллекту человека.
На сегодня всё. ставьте нравлики, делитесь своим мнением в комментариях и не забудьте подписаться на мой канал, если считаете его достаточно интересным для того, чтобы время от времени удостаиваться вашим вниманием. Пока! :-)
