Бег за кубитами

Квантовые технологии, безусловно, технологии будущего. Особый интерес вызывает перспектива создания полноценного квантового компьютера, который будет способен решать задачи, пока недоступные. О первом российском восьмикубитном квантовом процессоре и проблемах его создания рассказывают Олег Астафьев, руководитель лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, профессор Сколтеха, и научные сотрудники лаборатории Алексей Дмитриев, Штефан Сандуляну, Глеб Федоров.

В ноябре компания IBM представила квантовый компьютер Osprey. В нем 433 кубита

Фото: IBM

Ученые и инженеры во всем мире не одно десятилетие пытаются создавать и контролировать искусственные квантовые системы. Сейчас уже десятки стартапов непосредственно работают над развитием как «железа», так и программной части будущих квантовых процессоров. Квантовые компьютеры должны привести к качественному скачку вычислительных возможностей, а это позволит решить множество пока недоступных задач — от более точного прогноза погоды до прицельного поиска лекарств от рака.

Классический компьютер использует в качестве единицы информации бит, который принимает значения 0 или 1. Квантовый бит (кубит) способен находиться в состоянии их суперпозиции: быть 0 и 1 одновременно, что позволяет квантовому компьютеру выполнять множество параллельных вычислений. Квантовые процессоры разрабатываются на нескольких различных платформах. В качестве физического кубита используются фотоны, нейтральные атомы, ионы, квантовые точки, примеси в кристаллах. Активные разработки ведутся во многих странах. В России исследования идут по нескольким направлениям в ряде ведущих научных организаций. Например, мы тесно сотрудничаем с нашими коллегами из НИТУ МИСИС, Института физики твердого тела РАН. Другие участники, развивающие альтернативные платформы в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям (ее курирует «Росатом»): Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Российский квантовый центр, МГУ и многие другие.

Мы используем наиболее перспективную, на наш взгляд, платформу — сверхпроводниковые квантовые системы. В нашей лаборатории сейчас разрабатываются 12- и 16-кубитные квантовые процессоры, уже тестируется 8-кубитный, который уже способен выполнить несколько сотен последовательных операций за время жизни кубитов. Схема полностью работает, идёт отладка демонстрационных алгоритмов. Чуть ранее уже была продемонстрирована работа первого в России полноценного квантового процессора (с полным контролем каждого кубита) на четырех сверхпроводниковых кубитах. Высокая эффективность его работы показана на серии демонстрационных задач. Сейчас мы решаем проблемы дальнейшего масштабирования процессоров на десятки кубитов.

«Хрупкость» квантовых состояний

Физические параметры нашего процессора вполне соответствуют международным стандартам: характерное время жизни кубитов — 10–20 микросекунд в многокубитной схеме (одиночные кубиты показывают значительно большее время). Это определяет время работы квантово-механической системы, пока информация не потеряется. В отличие от цифровых битов, кубиты очень чувствительны к любым внешним воздействиям и шумам, часть из которых невозможно устранить. В качестве иллюстрации представьте себе «чувствительный цифровой процессор»: вы записываете информацию последовательностью нулей и единиц, однако через какое-то время обнаруживаете, что все единицы стали нулями. Чтобы успеть выполнить достаточное количество операций за ограниченное время, требуется дорогостоящее высокочастотное оборудование. Другое требование — низкие температуры. Наши процессоры работают при температурах всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля (-273,14°C), поэтому они помещаются в специальные (и тоже дорогостоящие) холодильные установки, так называемые рефрижераторы растворения гелия-3 в гелии-4.

Сердцем нашего процессора является интегральная микросхема: все кубиты и вспомогательные элементы размещены на единой кремниевой подложке. Схема разработана и выполнена на технологической базе МФТИ. Изготовление схемы — отдельный сложный процесс, который требует использования методов нанотехнологии, например, электронной литографии. Все необходимое оборудование имеется в Центре коллективного пользования МФТИ, но требует обновления и дополнительного оснащения для бесперебойной работы и наращивания интеграции процессоров.

К сожалению, простое соединение нескольких квантовых процессоров не позволяет существенно увеличивать их производительность. Здесь не работает обычное масштабирование, применяемое в нынешних суперкомпьютерах. Все кубиты должны быть размещены на одном чипе, чтобы все они могли участвовать в формировании квантового состояния. Сложность в разработке схемы еще и в том, что должны быть учтены все возможные возмущения, нежелательные влияния соседних кубитов и элементов цепи, сигналов, приводящих к потере информации.

Прикладные задачи

Так выглядит холодильная установка (криостат) внутри. Образец (процессор) устанавливается в нижней части криостата. Управляющие сигналы доставляются до образца коаксиальными кабелями (синие линии в нижней части криостата). Аспиранты лаборатории Дарья Калачёва и Андрей Васенин устанавливают образец

Фото: Предоставлено пресс-службой МФТИ

Своей целью мы поставили не просто разработку квантового процессора, но и решение практических демонстрационных задач. На нашем процессоре мы можем решать некоторые задачи машинного обучения. Например, на базе из 150 вин, каждое их которых охарактеризовано несколькими параметрами (химический состав, процентное соотношение сахара или алкоголя, год производства), процессор группирует данные в зависимости от задания. Другая демонстрационная задача из области медицины. На базе данных больных со злокачественной или доброкачественной опухолью молочной железы за микросекунды по тридцати признакам можно распределять карты пациентов с точностью 93%. Список потенциальных задач весьма широкий. Здесь устройства уже можно использовать с пользой: система обучается, чтобы эффективно работать на новых данных. Правда, обычные компьютеры пока решают эти задачи быстрее. Но наши работают на совершенно других принципах и при наращивании интеграции вполне могут показать преимущество в решении определенного класса задач. Такое же утверждение верно и для универсальных квантовых компьютеров.

Квантовое превосходство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры решить не могут.

Квантовое преимущество — способность квантовых вычислительных устройств решать доступные классическим компьютерам проблемы, но быстрее.

Будущее кубитов

В мире постоянно работают над увеличением времени жизни и количества рабочих кубитов в устройстве. Компания Google заявила 72-кубитное устройство, IBM — 433-кубитный процессор, но пока реально заставить работать в состоянии суперпозиции с высокой точностью только часть кубитов. Чем больше кубитов, тем больше ограничений, ошибок, неустойчивости, тем меньше время жизни. Увеличивая число кубитов, мы что-то обязательно теряем в работе системы.

Для практической реализации и тестирования можно разделить изготовление процессора и решение на этом процессоре ряда задач. Более того, сейчас стали чаще говорить не о квантовом превосходстве, а о квантовом преимуществе, это своего рода снижение планки, но ставит перед научными группами более реалистичные требования.

Пока мы добиваемся не радикального ускорения, а осязаемого. И один из вариантов — использовать квантовые процессоры не как отдельное устройство, а как часть более сложной системы. Например, в системе с классическим компьютером, который передает квантовому модулю операции, на которых у него есть преимущество в скорости. Еще можно отметить, что квантовые процессоры работают с единичными квантами энергии (минимальная энергия для кодирования информации), что позволит создавать экологичные и экономичные устройства.