Как третьекурсник НИТУ «МИСиС» стал разработчиком квантового компьютера

Лабораторию «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» можно назвать одной из самых молодых в университете. Не только потому, что она основана всего 9 лет назад, став в 2011 году одной из первых в стране, победившей в конкурсе мегагрантов Правительства РФ. Здесь всегда очень много молодежи: от школьников до аспирантов, которых привлекает возможность стать разработчиками метаматериалов, которых пока не существует, или принять участие в одном из самых «крутых» проектов современной науки — создании квантового компьютера. Именно сюда, в «Сверхпроводящие метаматериалы» можно прийти зеленым первокурсником и остаться надолго.

Так произошло с Александром Григорьевым, когда на третьем курсе после лекции Александра Загоскина «Квантовые компьютеры, квантовая инженерия и квантовость», он пришел в лабораторию и сказал, что хочет «делать что-то полезное для квантового компьютера». Как говорит Александр, к третьему курсу с направлением ресёрча определяется уже довольно много студентов, поэтому страшно не было, было интересно.

В это время в лаборатории начинался проект по квантовым вычислениям, одной из задач которого было реализовать считывание кубита. Считывать сверхпроводниковый кубит можно разными способами, но везде важны точность и скорость. Хорошую точность можно получить, если использовать сложную математическую обработку сигнала, а скорость при применении простого алгоритма, причём сразу «в железе». Эти два требования сложно совместить и для решения таких задач существуют так называемые ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы).

Как раз в этот момент в лаборатории появилась ПЛИС с приёмником сигналов, причём не маленькая, какие обычно используются на лабораторных работах у студентов-электронщиков, а большая — для ресурсоёмких промышленных применений. По словам инженера лаборатории Ильи Беседина, научного консультанта Саши, «Ни у кого в лаборатории в этот момент не было опыта работы с ПЛИС, тем более с большой. Но физик-экспериментатор в наше время — это не просто человек, который хорошо учил физику, а тот, кто может работать с целым набором различного оборудования, причём зачастую очень сложного. Мы предложили Саше попробовать разобраться с этой штукой, сперва научиться автоматизировать работу с ней с помощью штатных (как потом оказалось, не очень удобных) инструментов на компьютере. По мере того, как Саша разбирался, разбирались и мы, учились с ней работать, ставить задачи. По мере изучения ПЛИС стало понятно, если мы действительно хотим делать настоящий квантовый компьютер, то нужно перепрограммировать эту ее целиком».

В начале четвёртого курса Александру Григорьеву была поставлена конкретная задача по реализации единовременного дисперсионного считывания кубита с определением состояния в реальном времени с помощью линейного дискриминатора состояния. Как говорит Илья Беседин, это было тяжело. Саше помогал инженер нашей лаборатории, Николай Абрамов: Саша занимался интерфейсом с компьютером и реализацией кода математической обработки, а Коля — интерфейсами передачи данных между ПЛИС, приёмником и памятью.

После защиты бакалаврской работы, Саша Григорьев поступил в магистратуру кафедры теоретической физики и квантовых технологий и поехал на стажировку в технологический университет Карлсруэ, в группу с инженерным уклоном, которая работала над проектом полноценной интегрированной системы управления и считывания кубитов с помощью ПЛИС. Там он познакомился с инструментами, которые используются для разработки сложных электронных приборов в промышленности. Устройство, которое делало группа в Карлсруэ, умело делать всё то, что делало Сашино устройство, и ещё много кроме этого.

На стажировке Александр Григорьев познакомился с немецкими учеными, и вместе с научным руководителем придумал интересную тему для совместной деятельности с группой в Карлсруэ. Группа ученых НИТУ «МИСиС» находится на стороне применения устройства для измерения квантовых свойств излучения от сверхпроводящих метаматериалов, а группа в Карлсруэ совершенствует свою платформу. Саша находится на обеих сторонах: он понимает как работает платформа, может настроить её, исправлять ошибки в ней и добавлять небольшие функциональные куски; с другой стороны, он работает над физической реализацией эксперимента в лаборатории.

Как отмечает научный консультант Григорьева Илья Беседин, его образовательный опыт абсолютно уникален — он хочет продолжать заниматься квантовыми вычислениями на сверхпроводниках, но на самом деле перед ним открыты двери не только в науку, но и в электронику или программирование.

«Абитуриентам и студентам я бы посоветовал очень серьёзно отнестись к выбору научного руководителя. Мне в этом плане очень повезло. В общем-то всё, что описано в статье — заслуга скорее Ильи Беседина и Николая Абрамова, моих руководителей. Сейчас я поступаю в аспирантуру, у нас с ними большие планы, в том числе в направлении электроники», — говорит Александр Григорьев.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»