С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики совместно с учеными МГУ и Российского квантового центра (Москва) разработали новый метод для управления квантовыми объектами — кубитами, альтернативой квантовым разработкам Google и IBM. Это позволяет решить проблему санкционных закупок СВЧ-электроники, необходимой для проведения квантовых вычислений на сверхпроводниках. При этом повышаются скорость и точность операций.

Исследования проходят в рамках федеральной программы «Приоритет 2030». Результаты опубликованы в ведущем международном издании Quantum Science and Technology.

«Построение квантового компьютера — одна из главных научных задач в современном мире. Квантовые технологии смогут решить целый пласт “нерешаемых” задач в химии, логистике, нефтегазовой отрасли, медицине. Мы разрабатываем компактную и энергоэффективную систему управления сверхпроводниковыми кубитами», — сообщила автор исследования, заведующая научно-исследовательской лабораторией теории наноструктур Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ имени Н.И. Лобачевского Марина Бастракова.

Первые эксперименты уже стартовали в Российском квантовом центре, ученые разрабатывают технологии для реализации новой схемы управления, а верификацию численных результатов с экспериментом планируют получить уже к 2025 году. Успешные квантовые проекты IT-гигантов Google и IBM реализованы на процессорах из сверхпроводниковых кубитов. Чаще всего они управляются СВЧ-электроникой. Чип с кубитами находится в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю — около –273,12С, при этом минимизируются тепловые шумы и проявляются квантовые свойства индивидуальных микроскопических объектов — кубитов.

Генераторы микроволновых импульсов и линии передач находятся вне криостата при комнатной температуре, поэтому нагрева элементов и энергопотерь не избежать. Большое количество техники и проводов увеличивает количество помех, уменьшая быстродействие и точность квантовых операций. Кроме того, эти условия ограничивают число кубитов в квантовом регистре.

Экспериментальные группы в России также включились в «квантовую гонку» и создают аналоги многокубитных систем. Поиск альтернативных способов управления квантовыми устройствами – приоритетная задача российских ученых. Разработчики из Москвы и Нижнего Новгорода предложили использовать для управления кубитами новую схему сверхпроводникового генератора цифровых импульсов, способных создавать сигналы различной полярности.

«По нашей модели, генераторы цифровых импульсов интегрированы с кубитным чипом и находятся в криостате. Это позволит в перспективе избавиться от проблемы множества “проводов” для управления отдельными кубитами и повысить энергоэффективность процессов. В ситуации, когда ученые борются за каждую наносекунду быстродействия, цифровая сверхпроводниковая схема может ускорить операции примерно в два раза по сравнению с СВЧ-электроникой», — сообщила Марина Бастракова.

Кубит — единица информации в квантовом компьютере. В состоянии суперпозиции она является и нулем, и единицей одновременно, обеспечивая высокоскоростные параллельные вычисления, в миллионы раз превосходящие возможности обычных компьютеров. Также кубитами называют базовые ячейки многих квантовых вычислительных систем.

На сегодняшний день калибровка сверхпроводниковых квантовых устройств производится практически вручную. Алгоритм ученых ННГУ позволяет рассчитать последовательность импульсов для разных операций с учетом широкого диапазона параметров. Она может быть записана в память генератора, что позволит придать определенную энергию кубиту и получить на выходе нужную квантовую операцию с высокой точностью.

«Разработанный подход должен существенно ускорить выполнение операций в квантовом компьютере, упростить громоздкие системы управления. Это большой шаг вперед для отечественных квантовых технологий, так как он решает проблему нехватки сверхвысокочастотной импортной электроники. Сейчас мы подбираем материалы и разрабатываем дизайн для базовых элементов нашей модели», — рассказал руководитель проекта в рамках программы «Приоритет 2030», профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Николай Кленов.