В лаборатории искусственных квантовых систем Московского физико-технического института создали квантовую интегральную схему на основе пяти сверхпроводниковых кубитов для квантовых процессоров

Это важный шаг на пути создания полномасштабных универсальных квантовых процессоров и симуляторов. Эту уникальную и полностью управляемую многокубитую квантовую схему можно считать прототипом квантового процессора, каких в мире пока совсем немного.

Новое устройство уже сейчас может быть использовано в квантовом машинном обучении - области науки на пересечении квантовой физики и обработки данных. Квантовые системы могут ускорять вычисления и сокращать количество параметров в нейросети. Благодаря этому квантовые нейросети становятся более выразительными и позволяют описать задачу меньшим числом параметров. Система также поможет в исследовании подходов к созданию квантовых симуляторов, служащих для контролируемой имитации поведения естественных систем, не поддающихся классическим расчетам.

Над созданием универсального квантового компьютера, способного решать любую алгоритмизируемую задачу, работают ведущие мировые научные центры. Однако вероятнее, что именно квантовые симуляторы для машинного обучения позволят коммерциализировать технологию в самом скором времени и приблизят момент появления универсальных устройств.

Интегральная схема разработана в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ и изготовлена на технологической базе Центра коллективного пользования московского Физтеха. Первые измерения показали, что все элементы схемы работают с ожидаемыми параметрами. В настоящий момент МФТИ обладает уникальной возможностью самостоятельно разрабатывать, изготавливать и тестировать квантовые устройства.

Один из разработчиков схемы - научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Алексей Болгар прокомментировал: "После получения первого российского кубита в 2015 году в стенах нашей лаборатории мы многому научились. Все эти годы сотрудники ЦКП МФТИ и лаборатории трудились над улучшением технологии изготовления сверхпроводящих квантовых структур с различной архитектурой. В результате сейчас мы имеем технологию, которая уже достаточно надежна для создания многокубитных вычислительных устройств. Созданная нами интегральная квантовая схема, в отличие от ранее разработанных в России прототипов, позволяет полностью контролировать состояние всех пяти кубитов. Такие интегральные схемы и необходимы для создания универсального квантового компьютера на сверхпроводящих кубитах. Это большой технологический успех".

Нынешнее достижение стало возможным благодаря нескольким ключевым фактам.

Во-первых, сотрудникам Центра коллективного пользования вуза и технологам лаборатории удалось существенно улучшить контроль геометрических и электрических параметров туннельных контактов. Эти контакты являются "сердцем" сверхпроводящих кубитов, от качества и воспроизводимости их изготовления зависит работоспособность всей квантовой схемы.

Во-вторых, была отлажена технология изготовления микроволновых резонаторов, добротность которых в однофотонном режиме составляет сотни тысяч. Такие высокодобротные резонаторы являются неотъемлемой частью квантовой интегральной схемы - они располагаются на чипе вблизи кубитов и служат для считывания их квантового состояния.

Третьей важной вехой в становлении технологии явилась отладка процесса изготовления навесных мостиков - так называемых эйр-бриджей, которые позволяют подавить паразитные резонансные моды и тем самым повысить добротность структур.

Наконец, четвертая и, пожалуй, самая важная составляющая успеха - это опыт, накопленный сотрудниками технологического центра МФТИ и лаборатории искусственных квантовых систем за последние годы. Здесь сформировалась слаженная команда талантливых и увлеченных исследователей. И она, кстати, продолжает пополняться, ведь система подготовки студентов в МФТИ позволяет талантливым людям выполнять НИР непосредственно в научных лабораториях.

Алексей Болгар добавляет: "Наши текущие результаты говорят о том, что технологические и измерительные возможности ЦКП и нашей лаборатории позволяют отработать и выполнить все этапы, необходимые для создания элементов квантовых процессоров, от технологических чертежей до интегральной квантовой схемы на чипе и ее измерений. Однако дальнейшее развитие работ по созданию управляемых элементов квантового компьютера и самого компьютера потребует модернизации "чистой зоны" ЦКП и дополнительного оснащения лаборатории современным исследовательским оборудованием".

* Квантовыми компьютерами называют вычислительные устройства, в основе работы которых лежат принципы квантовой механики. В отличие от обычных компьютеров, в которых для передачи и обработки данных используются биты - единицы информации, которые содержат либо 1, либо 0, квантовые компьютеры оперируют кубитами - ячейками памяти и примитивными вычислительными модулями, которые могут хранить в себе одновременно и ноль, и единицу. Благодаря этому квантовые компьютеры могут обрабатывать большие объемы информации во много раз быстрее обычных - даже если это суперкомпьютеры с огромными вычислительными мощностями.

Полноценных квантовых компьютеров ученые пока не создали. Сейчас существуют только их прототипы - например, в 2017 году физик из Гарвардского университета Михаил Лукин рассказал о создании 51-кубитного прототипа, а компания Google в 2019-м году - о 53-кубитном прототипе под названием Sycamore, в начале декабря 2020 года китайские ученые создали фотонный квантовый компьютер "Цзю Чжан".

Как правило, кубиты могут находиться в нужном состоянии ограниченное время, так как разрушить его могут случайные взаимодействия с объектами окружающего мира. Они могут разорвать связи, которые объединяют их с соседними квантовыми ячейками памяти. Ученые много лет пытаются продлить время жизни кубитов, изолируя их от окружающей среды различными способами.

Первых успехов в этом направлении российские ученые достигли шесть лет назад, когда полностью создали и изучили свойства одиночного кубита на базе сверхпроводящих материалов. Его создание открыло дорогу для решения более амбициозной задачи - сборки интегральной схемы, объединяющей в себе сразу несколько кубитов и способной решать простейшие задачи.

Для создания этого чипа исследователи решили множество сложных технологических задач, в том числе существенно улучшили контроль геометрических и электрических параметров туннельных контактов - ключевой части всех существующих вариаций сверхпроводящих кубитов. Кроме того, ученые значительно повысили качество работы микроволновых резонаторов, используемых для чтения и записи информации из кубитов.

По словам исследователей, новое устройство уже сейчас может быть использовано в квантовом машинном обучении, области науки на пересечении квантовой физики и обработки данных. Разработка также поможет в исследовании подходов к созданию квантовых симуляторов, служащих для контролируемой имитации поведения естественных систем, не поддающихся классическим расчетам.

Напомним Ученые из Тартуского университета показали, что определенные микрокристаллы, синтезированные с использованием редкоземельных ионов, могут работать как кубиты. Исследователи объяснили, что ионы должны иметь как минимум два электронных состояния, в которых ионное взаимодействие очень слабое, а также состояния, в которых ионное взаимодействие является сильным. Эти состояния должны иметь большое время жизни, и между ними должны быть разрешены оптические переходы.

(https://mipt.ru/news/fizi...)