Российские ученые стали на шаг ближе к универсальному квантовому компьютеру

Российские ученые Университета МИСИС и Российского квантового центра (РКЦ) совместно с коллегами из МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» продемонстрировали новый метод реализации быстрой двухкубитной операции на сверхпроводниковых кубитах-флаксониумах, которая может лечь в основу масштабируемых и устойчивых к ошибкам квантовых процессоров. Благодаря исследованию, опубликованному в одном из ведущих научных журналов PRX Quantum (Q1), российские ученые стали еще на один шаг ближе к созданию универсального квантового компьютера, способного решать задачи в области логистики, машинного обучения и криптографии, которые сейчас кажутся практически нерешаемыми.

Операция управляемого Z вращения или CZ — базовая операция в квантовых вычислениях, выполняемая между двумя наименьшими носителями квантовой информации — кубитами. Такая операция изменяет состояние одного кубита в зависимости от состояния второго так, что их состояния запутываются. Именно возможность оперировать такими запутанными состояниями позволяет говорить о квантовых процессорах как о революционных устройствах, которые значительно ускорят обработку данных и решение сложных задач.

Главным вызовом при создании универсальных квантовых вычислителей является создание долгоживущих кубитов с высокой точностью операций. Флаксониумы — разновидность сверхпроводниковых кубитов со сложной энергетической структурой, с каждым годом становятся все более привлекательными для ученых благодаря высокой продолжительности жизни и точности работы по сравнению с другими типами кубитов, например, трансмонами. Однако достижение высокой точности двухкубитных запутывающих операций на флаксониумах при эффективном подавлении паразитных взаимодействий, «портящих» квантовое состояние, все еще остается сложной задачей.

В своем исследовании ученые Университета МИСИС, Российского квантового центра, МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» предложили новый подход к выполнению операций CZ на кубитах-флаксониумах, связанных через еще один кубит (связующий элемент), однокубитная операция на котором позволяет эффективно получить двухкубитный гейт, преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определённому закону. Точность работы составила 97,6%, а продолжительность операции — всего 44 нс.

«Для универсальной двухкубитной операции необходимо короткое время выполнения, отсутствие промежуточных состояний с плохой когерентностью, низкий уровень остаточного взаимодействия, когда связь не активирована, и простая процедура калибровки последовательности управляющих сигналов. В данном случае мы объединяем архитектуру, в которой кубиты связаны друг с другом через дополнительную степень свободы (связующие элементы), с активацией гейта СВЧ-сигналом, что позволяет сохранять кубиты в точке с высокой когерентностью в продолжение всей операции», — рассказал инженер лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС, младший научный сотрудник группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» РКЦ Илья Симаков.

При создании сверхпроводникового квантового процессора исследователи отошли от концепции прямого соединения кубитов и предложили более подходящий для масштабирования подход, основанный на использовании специальных соединительных элементов. Это позволило улучшить работу системы, и использовать более совершенные подходы к выполнению квантовых операций.

Флаксониумы, благодаря высокой когерентности (способности преобразовывать квантовые состояния) и значительной ангармоничности (нелинейности), могут стать ключом к усовершенствованию сверхпроводниковых квантовых схем и в перспективе заменить широко используемые на сегодняшний день трансмоны.

«Высокой когерентности кубитов, как и проведению логических операций, включая CZ-гейты, может помешать даже дефект атомарного масштаба. Тем более, когда речь идет о флаксониумах — сложнейших в изготовлении кубитах, содержащих цепочку суб-микрометровых Джозефсоновских переходов. Мы разработали технологию создания сверхпроводниковых схем на базе кубитов-флаксониумов из более сотни технологических операций, обеспечивающую высокое качество квантовых элементов и их повторяемость, а, значит, возможность дальнейшего масштабирования на пути к универсальному вычислителю», — отметил Илья Родионов, директор НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».

Сейчас исследователи уже начали работу над масштабированием предложенного подхода, а также разрабатывают концепцию выполнения трехкубитной операции на флаксониумах с использованием одного соединительного элемента.

Таким образом, российские ученые стали еще на шаг ближе к созданию универсального квантового компьютера, способного решать задачи в различных областях, например для моделирования молекулярных и химических реакций, что станет залогом дальнейшего развития фармацевтики и материаловедения.

Исследование поддержано средствами стратегического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет 2030».

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»