Ученые Московского физико-технического института запустили первый в России 12-кубитный квантовый процессор для квантового машинного обучения на основе сверхпроводников. Его вычислительные элементы изготавливаются из чистого алюминия. Устройство уже применяется для решения задач машинного обучения. До конца 2024 года команда планирует представить первый 16-кубитный процессор, созданный по той же технологии.
В наши дни квантовые процессоры разрабатываются учеными по всему миру. Это вычислительные устройства, принцип действия которых основан на явлениях квантовой механики. В будущем они будут использоваться в квантовых компьютерах, которые предназначены для решения задач, с которыми не могут справиться привычные нам электронные вычислительные машины. Это, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические расчеты. Перспективным и активно развивающимся также является направление так называемого квантового машинного обучения.
В классическом компьютере единицей количества информации служит бит — элемент, который может быть либо «включен», либо «выключен». В квантовом устройстве эту роль выполняет кубит, который может находиться в двух состояниях одновременно. Это и открывает новые возможности для создания инновационных вычислительных машин.
Как пояснили разработчики, кубиты в процессоре могут иметь разное материальное воплощение. Кроме сверхпроводниковых систем, для этого используют ионы в ловушках, фотоны — кванты света — или холодные нейтральные атомы, причем у каждой из этих технологий есть свои преимущества и недостатки. В зависимости от типа устройства, оно может лучше решать одни задачи и хуже — другие. Самой широко развитой сегодня считается технология создания кубитных регистров на основе сверхпроводниковых схем с джозефсоновскими переходами. К ним относятся и самый масштабный в мире 433-кубитный квантовый процессор Quantum Condor от компании IBM, и 80-кубитный процессор от компании Rigetti.
Созданный в МФТИ процессор обладает характеристиками мирового уровня: среднее время T1 составляет 14 микросекунд, T2E — 7 микросекунд, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Эти параметры являются ключевыми для обеспечения высокой точности и стабильности квантовых вычислений.
«Это большой шаг вперед для нашей лаборатории и для всего научного сообщества, занимающегося квантовыми исследованиями в России. Работа не только демонстрирует нашу способность показывать новые результаты на мировом уровне, но и обещает значительный прогресс в практическом применении квантовых технологий, так как мы всегда стремимся тестировать наши устройства на реальных задачах», — подчеркнул руководитель научного коллектива, профессор МФТИ Олег Астафьев.
Он отметил, что характеристики устройства по сравнению с разработками прошлых лет улучшились, несмотря на существенное усложнение схемы и санкционные ограничения, касающиеся ключевого технологического оборудования.
Глеб Федоров настраивает установку. Фото пресс-службы МФТИ
«Для нас это очередной этап. На Физтехе уже есть хорошо отлаженная технология, с помощью которой мы производили 5-кубитные и 8-кубитные квантовые интегральные микросхемы. Это сам по себе сложный процесс, использующий, в частности, электронную литографию. Но на этот раз нам пришлось сильно изменить технологические чертежи, так как вместо линейной мы использовали двумерную архитектуру схемы», — рассказал Глеб Федоров, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.
То есть предыдущие версии процессоров строились как одномерная линия — цепочка со связью только ближайших соседей, а 12-кубитный вариант — двумерный, расположенный на плоскости, пояснил ученый.
Установленная в корпус квантовая интегральная микросхема 12-трансмонного устройства (слева) и ее увеличенный фрагмент (справа). Фото пресс-службы МФТИ
В течение последнего года ученые разрабатывали чертежи процессора и рассчитывали его электромагнитные характеристики. Затем они провели квантово-механические расчеты и в несколько этапов изготовили образцы, после чего измерили их параметры в комнатных условиях. Финальная версия была получена на четвертой итерации.
Возможности разработки уже испытывают на практике. Квантовая интегральная микросхема является «сердцем» прототипа квантового вычислительного устройства, состоящего из классического компьютера и квантового «ускорителя». Сейчас система тестируется: запускаются алгоритмы обучения для квантовой «нейросети», которая может определять сорт вина по его химическому составу и диагностировать рак молочной железы. Это необходимо для подробного сравнения характеристик новой системы с результатами, полученным учеными ранее на 8-кубитном образце (https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.109.012411).
По словам ученых, пока их изобретение можно использовать только для исследовательских целей. Для практического применения и достижения конкурентного преимущества необходим квантовый процессор минимум из 100 кубитов. Но для его создания нужно оборудование, которое позволяет размещать элементы в трех измерениях, а не только на плоскости.
Сейчас его производят лишь в нескольких недружественных нам странах мира, таких как Германия и Южная Корея. Однако российские разработчики пытаются найти возможность закупать его. С помощью иностранных устройств можно подводить управляющие линии индивидуально к каждому кубиту гораздо более свободно, чем при двумерной архитектуре. Это позволяет избежать перекрестных помех, возникающих при пересечении сигнальных линий и препятствующих правильному управлению устройством.
Следующая разработка — 16-кубитный процессор, который также будет двумерным. При его создании ученые намерены сосредоточиться на точности вычислений и одновременной работе всех вычислительных элементов, что не менее важно, чем их количество.
Работы по созданию прототипов квантовых вычислителей и симуляторов ведутся в МФТИ в рамках выполнения Дорожной карты «Квантовые вычисления» на 2021–2024 гг.
