Ученые из России разработали технологию массового производства высококачественных квантовых битов на основе флаксониумов. Напомним, что квантовые биты, или кубиты — это наименьшая «ячейка» для обработки информации в квантовом компьютере. Кубиты могут быть реализованы с помощью разных физических систем, в том числе на основе сверхпроводников. Последние считаются наиболее перспективной платформой.
На этот раз исследователи из России создали сверхпроводниковые кубиты под названием флаксониумы, и они показали выдающуюся точность выполнения базовых операций — 99,993%. Результат превзошел лучшие показатели самых распространенных на сегодня сверхпроводниковых кубитов-трансмонов, которые производятся такими компаниями, как Google и IBM.
Почему важно показывать высокую точность
Уменьшение ошибок при выполнении операций над кубитами — одна из ключевых задач для создателей квантовых компьютеров. На хрупкое состояние квантовых систем очень сильно влияют внешние факторы («шумы»), такие как температура окружающего пространства. Поэтому инженеры ищут способы снижения этого пагубного влияния. В частности, поэтому сверхпроводниковые квантовые вычисления проводятся практически при температуре абсолютного нуля.
Из-за влияния внешней среды происходит декогеренция квантового состояния, и постепенно ошибки накапливаются до критического уровня, мешая работе квантовых алгоритмов и разрушая весь вычислительный процесс. Но, чем выше точность каждого отдельного действия с кубитом (когда производятся так называемые однокубитные операции), тем более сложные задачи сможет решать квантовый процессор.
Сверхпроводниковый кубит-трансмон получил широкое распространение, благодаря своим надежным характеристикам и простоте изготовления. Однако несмотря на свою популярность, трансмон имеет ряд недостатков. Например, небольшое значение ангармонизма приводит к ошибкам утечек из вычислительного подпространства, что существенно ограничивает возможность выполнения быстрых и точных однокубитных операций. Более того, такой тип кубита больше чувствителен к шумам, которые приводят к декогеренции квантовых состояний и, как следствие, потере информации. Эти проблемы в значительной степени и решает кубит-флаксониум. Именно большое значение ангармонизма в таких кубитах позволяет выполнять более быстрые операции.
Что такое флаксониумы?
Любой кубит можно представить себе как крошечный «переключатель», способный находиться в состоянии выкл/вкл (0 и 1 соответственно) и в квантовой суперпозиции обоих состояний сразу. Имено такая природа дарит квантовым вычислениям преимущество. Флаксониум — это тип сверхпроводящего кубита.
В отличие от более распространенных трансмонов, флаксониумы работают с магнитным потоком, проходящим через их контур. Их главное потенциальное преимущество — большая стабильность и время жизни квантового состояния (когерентность), что теоретически позволяет им хранить информацию дольше.
К другим преимуществам кубитов-флаксонимов можно отнести низкое значение частоты, позволяющее упростить систему управления такими кубитами.
В чем состоит прорыв российских исследователей
Флаксониумы давно исследуются учеными стран, где развито научное направление квантовых вычислений. Однако флаксониумы производить сложнее, чем трансмоны. Во всяком случае, трудно получить одинаковые флаксониумы, демонстрирующие высокое качество операций. К тому же сложнее управлять ими так же эффективно, как трансмонами, особенно при выполнении операций между двумя кубитами (двухкубитные операции).
Российские исследователи из НИТУ МИСИС и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН (ИНМЭ РАН) решили первую часть проблемы. Они создали и проверили работу уникальной технологической цепочки, позволяющей надежно изготавливать флаксониумные кубиты с высокими и повторяемыми характеристиками. Это критически важно для масштабирования квантовых процессоров.
НИТУ МИСИС и ИНМЭ РАН обладают технологическими и экспериментальными компетенциями в области разработки микросхемных решений для создания квантовых процессоров. В результате совместной работы создана уникальная технология и экспериментальные образцы кубитов-флаксониумов с рекордной точностью на уровне мировых гигантов индустрии.
Экспериментальные образцы этих кубитов продемонстрировали точность выполнения однокубитных операций (например, переворот состояния кубита) на уровне 99,993%. Это не просто высокий, а мировой уровень точности. Достичь такой точности помогло использование сверхкоротких управляющих импульсов — длиной всего 6 наносекунд. Это в несколько раз быстрее, чем типичные импульсы для трансмонов. Быстрые операции снижают вероятность возникновения ошибок.
Для сравнения: в современных классических процессорах одной из ключевых характеристик является тактовая частота. Она характеризует максимально возможное число выполненных инструкций за единицу времени. В случае же квантовых процессоров уменьшение длительности операций не только позволяет сократить время вычислений, но и запускать более длинные квантовые цепочки, необходимые для сложных алгоритмов.
Также ранее ученые из России разработали специальные протоколы управления, которые решают проблему выполнения надежных двухкубитных операций на флаксониумах. Наличие и методов управления, и теперь — технологии производства высококачественных кубитов, открывает путь к созданию реальных квантовых процессоров на этой платформе.
Что дальше
Высокая точность базовых операций — безусловный фундамент. Но следующим шагом станет сборка этих кубитов в многокубитные схемы и демонстрация столь же высокой точности двухкубитных операций с использованием разработанных протоколов. Успех в этом направлении позволит значительно повысить вычислительную мощность отечественных квантовых устройств.
Созданная уникальная технология и рекордная точность флаксониумов на уровне мировых лидеров может стать ключом к наращиванию мощности российских квантовых вычислителей на сверхпроводниковой платформе в будущем.
Основная задача, которая стоит перед нашей группой – масштабирование квантовых схем на основе кубитов-флаксониумов. Однако сам процесс масштабирования — это нетривиальная задача, требующая решения множества инженерных и научных проблем, включая разработку усовершенствованной архитектуры процессора, алгоритмов, эффективных методов коррекции ошибок, программного обеспечения и многого другого, чем и занимается наша лаборатория.
Это тоже интересно: