В России создан первый ионный квантовый компьютер на основе семиуровневых кудитов — кусептов. Устройство, разработанное учеными Российского квантового центра (РКЦ), имеет так называемую эквивалентную мощность 72 кубитов. При этом оно показывает точность вычислений для одно- и двухкубитных операций на уровне 99,92% и 96,5%, соответственно.
Поясним, что во всем мире идет гонка по наращиванию числа кубитов в квантовых процессорах. Однако кроме классического подхода по увеличению числа «квантовых битов» учеными разрабатываются и другие, которые позволяют получить большую точность вычислений или другие выгоды на меньшем количестве кубитов.
«Развитие квантового компьютера не сводится к механическому наращиванию числа кубитов. Кубиты — это один путь, кудиты — другой», — отмечает генеральный директор РКЦ Максим Острась.
Практическая польза на горизонте
Руководитель научной группы РКЦ, которой принадлежит нынешнее достижение, Кирилл Лахманский рассказал Науке Mail, что уже сейчас система на кусептах позволяет тестировать алгоритмы, применимые для решения задач промышленности.
«На этих 72 кубитах мы уже можем тестировать алгоритмы, в том числе потенциально применимые в индустриальных задачах», — отметил Лахманский.
Впрочем, пока ученые фокусируются не на немедленном решении прикладных задач, а именно на отработке алгоритмов и создании новых.
Российский исследователь объяснил, что кудитный подход позволяет:
- увеличить вычислительную мощность квантового процессора без увеличения числа физических единиц обработки информации в системе (ионов);
- работать с другими классами алгоритмов, которые уже показали упрощение решение ряда задач с помощью многоуровневых систем, например, реализация гейта Тоффоли или алгоритма Гровера.
Последние являются важными составляющими квантовых вычислений, а также важны для демонстрации преимуществ квантовых вычислений над обычными. Поясним, что гейт Тоффоли является квантовым аналогом обратимого логического элемента AND. Это фундаментальный строительный блок квантовых схем, позволяющий реализовывать любые обратимые логические операции. В то же время алгоритм Гровера обеспечивает квадратичное ускорение перебора в неструктурированных данных. Он потенциально может революционным образом изменить поиск в больших базах данных или криптоанализе.
Кусепты против кубитов: что ближе к бизнесу?
Все разработки в квантовой сфере важны не только сами по себе с точки зрения научного поиска, но и для будущего практического индустриального применения. И, по словам Кирилла Лахманского, кудитные системы уже сегодня позволяют решать небольшие бизнес-задачи в тестовом режиме.
«Если заказчик приходит с запросом на решение конкретной задачи, мы можем взять эту же задачу в малоразмерной постановке и ее решить. То есть мы уже можем работать с малоразмерными бизнес-задачами для демонстрации индустрии», — пояснил ученый.
Сравнивая кусепты с традиционными кубитами, российский исследователь выделил два ключевых преимущества:
- кусепты сокращают число операций для реализации сложных алгоритмов;
- кусепты уменьшают число физических элементов системы (в данном случае ионов), что упрощает управление системой и повышает точность вычислений.
Какие алгоритмы имеют практическую ценность?
Ближе всего к практическому внедрению, по мнению Лахманского, вариационные алгоритмы, разработанные для NISQ-устройств, то есть для «шумных квантовых компьютеров промежуточного масштаба».
«Для их реализации достаточно двух кубитов, но чем больше система, тем более сложные задачи мы сможем на ней запускать», — рассказал научный руководитель группы РКЦ.
С точки зрения практической пользы наиболее востребованными могут стать задачи комбинаторной оптимизации (QUBO) и им подобные. Поясним, что к задачам QUBO можно свести огромное количество практических проблем: от составления оптимального расписания транспорта и маршрутов до выбора портфеля финансовых активов. Также это могут быть задачи типа MaxCut, которые используются в классификации и квантовой химии. MaxCut позволяет оптимально разделить сеть (граф) на две части. Такие решения могут применяться для повышения эффективности логистических цепочек, проектирования микросхем и даже анализа социальных сетей. Так, уже в начале 2026 года команда Лахманского планирует реализовать на кусептах алгоритм MaxCut.
При этом важно понимать, что для решения каждой конкретной задачи ученым нужно подбирать не только оптимальное количество кубитов или кудитов, но и число гейтов. Отдельно квантовые алгоритмисты адаптируют выбранный алгоритм под каждую практическую задачу и используемую физическую платформу. Напомним, что кроме ионов российские исследователи разрабатывают квантовые процессоры на атомах, фотонах и сверхпроводниках.
«Пока это малоразмерные алгоритмы, но они позволяют постепенно приблизиться к полномасштабному индустриальному применению квантовых вычислений», — резюмировал Лахманский.
В ближайших планах исследователей — интеграция поверхностных ионных ловушек для индивидуального контроля ионов и дальнейшего повышения точности операций.
Добавим, что нынешняя разработка российских ученых — важный шаг в развитии квантовых вычислений, где многоуровневые системы рассматриваются как альтернатива традиционным кубитам.
Ранее Наука Mail рассказывала, что 72-кубитный компьютер продемонстрировали в МГУ.
