В России впервые измерили состояние кубита

Российские ученые впервые смогли измерить состояние кубита, что открывает российской науке путь к разработке квантового компьютера – одной из самых востребованных технологий будущего.

Специалисты университетской лаборатории МИСиС в сотрудничестве с Российским квантовым центром (РКЦ) первыми в России измерили состояние кубита. Команда исследователей под руководством члена научного совета РКЦ профессора Алексея Устинова провела эксперимент по измерению состояния сверхпроводящего кубита. Ученым удалось наблюдать периодически изменяющийся сигнал кубита, а также измерить его резонансную частоту.

Сверхпроводящие кубиты представляют собой колечки сверхпроводника диаметром несколько микрон. В некоторых местах колечек есть разрывы нанометровых размеров - их называют джозефсоновскими переходами. Сверхпроводящие колечки охлаждают до очень низкой температуры с помощью смеси жидких гелия-3 и гелия-4 и помещают в сверхточно настроенное слабое магнитное поле. В результате они приобретают квантовые свойства, сходные со свойствами атомарных спинов.

Российские ученые смогли создать экспериментальный чип с 7-ю сверхпроводящими кубитами, помещенными в микроволновые резонаторы. Взаимодействие со сверхпроводящим кубитом влияет на спектр микроволнового излучения, что позволяет судить о текущем состоянии кубита, не нарушая это состояние, то есть обойти проблему декогеренции. Самый стабильный из 7 кубитов подвергался измерениям в МИСиС.

В отличие от обычного бита, способного иметь только значения 1 и 0, квантовый бит (кубит) может находиться в суперпозиции этих состояний, то есть одновременно в значении 1 и 0. На практике кубит может существовать в самых разных комбинациях этих значений, что в перспективе позволит создавать сверхбыстродействующие компьютеры. Кубиты станут строительными элементами будущих квантовых компьютеров, способных решать задачи, практически недоступные классическим цифровым компьютерам. Для выполнения вычислений на квантовом компьютере необходимо привести во взаимодействие несколько кубитов, причем таким образом, чтобы они образовали единую квантовую систему. Затем этой системе надо позволить развиваться по законам квантовой механики и спустя определенное время выяснить, в какое состояние она пришла.

С ростом числа объединенных кубитов, вычислительная мощность такой квантовой системы экспоненциально растет. Теоретически это позволяет квантовому компьютеру справляться с задачами, на которые обычному цифровому компьютеру понадобятся миллионы лет. Например, давно известен так называемый алгоритм Шора, позволяющий быстро раскладывать большие числа на простые множители (задача, необходимая для взлома современных шифров). Обычные компьютеры решают эту задачу перебором возможных делителей, поэтому длинные числа современные компьютеры могут обрабатывать годами. Квантовый компьютер справился бы с такой задачей за считанные минуты и даже секунды, в зависимости от производительности.

Однако на пути создания квантового компьютера существует множество проблем. Прежде всего необходимо научиться приводить кубиты в определенные исходные состояния, объединять их в запутанные системы, изолировать эти системы от влияния внешних помех, считывать результаты квантового расчета. В текущем успешном эксперименте специалисты РКЦ и МИСиС продемонстрировали возможность считывания состояния отдельного сверхпроводящего кубита в симметричной суперпозиции 0 и 1. В ближайших планах следующий этап: приведение сверхпроводящего кубита в произвольно выбранное желаемое состояние. Для этого понадобится новая импульсная техника, которая будет установлена в новой лаборатории РКЦ.

Также разработчикам квантового компьютера предстоит выбрать оптимальную элементную базу для изготовления кубитов. Имеется несколько конкурирующих подходов, и один из них — сверхпроводящие кубиты с джозефсоновскими переходами, похожие на первые носители компьютерной информации – ферритовые колечки. Правда, кубиты примерно в тысячу раз меньше магнитных битов эпохи, предшествовавшей появлению интегральных микросхем. Разработками в данной области занято множество иностранных институтов и лабораторий крупных компаний. Обладание рабочим прототипом универсального квантового компьютера открывает огромные возможности в разработке новых материалов, расшифровке сложнейших кодов, моделировании сложных систем, создании универсального искусственного интеллекта и множестве других областей. С появлением технологии считывания состояний кубитов, Россия также может включиться в эту многообещающую работу на передовом крае науки и компьютерной техники.

Отметим, что Российский квантовый центр – это международная научно-исследовательская организация, которая является крупнейшим резидентом инновационного центра «Сколково». В свою очередь, Лаборатория сверхпроводящих материалов МИСиС организована в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» в 2011 году на средства крупного гранта, полученного по заявке профессора университета Карлсруэ Алексея Устинова. Лаборатория занимается разработкой и исследованием микроволновых метаматериалов с использованием сверхпроводников. Это единственная в России лаборатория, которая располагает оборудованием, позволяющим вести исследования с микроволновыми фотонами в условиях сверхнизких температур.

Квантовая вычислительная машина D-Wave в Квантовом вычислительном центре компании Lockheed Martin, штат Калифорния

Даже современные, пока еще не очень совершенные, квантовые вычислительные системы пользуются огромным интересом ведущих мировых кампаний. Так, канадскую квантовую вычислительную машину D-Wave использует оборонная компания Lockheed Martin, а недавно D-Wave усилил вычислительные мощности Google. D-Wave не является универсальным квантовым компьютером, хотя и может быть использован в качестве основы для его разработки. D-Wave - это 512-кубитная вычислительная машина на сверхпроводящих кольцах предназначенная для решения так называемых задач комбинаторной оптимизации, например анализа генома, вариантов сворачивания белков и т.п. Google будет использовать D-Wave для проектирования систем искусственного интеллекта, способного к самообучению.