Поделиться
В России запущен в работу квантовый процессор с самой высокой точностью среди отечественных устройств
Характеристики сверхпроводникового квантового процессора сопоставимы с достижениями ведущих мировых разработчиков квантовой техники. Полученные параметры позволили специалистам решить с его помощью ряд сложных уравнений. Это закладывает основу для дальнейших практических применений квантовых компьютеров в России.
Многократная точность
Российские ученые запустили в работу первый отечественный высокоточный сверхпроводниковый квантовый процессор. Точность выполнения на новом устройстве простых однокубитных алгоритмов составила 99,76%, а более сложных двухкубитных операций - 99,11%. Об этом в конце июня 2024 г. пишет издание «Известия».
Работу по запуску проводили ученые из научно-образовательного центра «Функциональные микро/наносистемы», который создан на базе Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики (ВНИИА) им. Н. Л. Духова. Достигнутые параметры являются рекордными для российской науки и сопоставимы с лучшими мировыми достижениями. К примеру, в самом современном квантовом процессоре IBM Torino 133 с архитектурой Heron R1 средняя точность двухкубитных операций равна 99,14%, что лишь немного превышает российский результат.
Как рассказали разработчики, процессор получил название Snowdrop 4Q. Это система, в которую входит сам чип на основе четырех кубитов, модули считывания их сигналов с параметрическими криоусилителями и блоки управляющей электроники. Полученные характеристики устройства позволили впервые в России реализовать серию сложных алгоритмов, состоящих из более чем 100 квантовых логических операций. В частности, была смоделирована намагниченность материала (модель Изинга была введена для понимания природы ферромагнетизма и повлияла на изучение фазовых переходов и критических явлений.), решено уравнение теплопроводности и реализован квантовый алгоритм для решения систем уравнений.
«Лучшее испытание для процессора - это запустить на нем сложный алгоритм с использованием всех имеющихся кубитов, что мы и сделали. Непосредственно калибровка и полная характеризация квантовой системы - сложный процесс, и над ним мы работали последние три месяца. Точности логических операций, которых достиг наш чип, позволили провести целую серию операций, направленных на решение практических задач научно-образовательного центра», - сказал ведущий разработчик квантовых процессоров ВНИИА Никита Смирнов.
В рамках экспериментов ученые опробовали собственный метод смягчения ошибок, основанный на нейросетевом обучении. Для оценки результатов, полученных на процессоре Snowdrop 4Q, ученые запустили те же алгоритмы на 127-кубитном чипе IBM Eagle в облачном доступе. Точности российского процессора подтвердились на более мощном американском аналоге.
Со слов руководителя сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ Станислава Страупе, одна из проблем квантовых процессоров в том, что кубиты - это не изолированная система, потому что они взаимодействуют с окружением, которое является источником шумов. Эти шумы приводят к тому, что квантовое состояние системы разрушается и переходит в случайное. Полностью побороть это явление невозможно, но можно использовать коррекцию ошибок, чтобы из большого числа кубитов собирать один логический.
Квантовый сопроцессор
Как действует квантовый процессор, понимают не все, зато опасность его как универсальной отмычки для общепринятых ныне алгоритмов шифрования данных осознает, кажется, каждый. В задачах, которые требуют параллельных вычислений. За счет того, что квантовый компьютер находится в суперпозиции большого количества состояний, используя определенный алгоритм, специалисты могут обрабатывать сразу много потоков. И вот эта многовариантность, многофакторность — это те задачи, которые хороши для квантового компьютера. А вот, например, последовательные задачи гораздо лучше будут решаться классическими системами. И здесь квантовый компьютер лучше рассматривать как сопроцессор. Сейчас делают чипы для искусственного интеллекта (ИИ), способные решать задачи ИИ лучше, чем предыдущие платформы. И в этом смысле квантовый компьютер можно рассматривать как следующую надстройку, которая позволит решить еще один класс задач. Единственная разница между этими всеми шагами, что внутри квантового компьютера совершенно по-другому логика устроена благодаря свойствам квантового мира. Но с точки зрения потребителя, ему будет казаться: ну, вот еще какой-то класс задач начали решать. Ведь рассчитать поведение даже не очень большого количества частиц классический компьютер не может. А квантовый - он сам по себе имеет похожую структуру, и поэтому, ему лучше проводить такие расчеты.
Как пишут «Известия», команда ВНИИА разрабатывает и реализует ряд практически значимых квантовых алгоритмов, позволяющих ускорить решение важных задач физического моделирования. Ученые достигли знакового результата, к которому шли почти три года - от разработки эффективного квантового алгоритма до его запуска на квантовом «железе». В итоге они убедились в том, что подход работает и, более того, прокладывает путь к созданию практически полезного вычислителя. В ближайших планах, это дальнейшее улучшение уже серийных технологий изготовления квантовых устройств и увеличение количества кубитов с повышением точности квантовых операций. Представленная разработка выступает в роли сопроцессора для классического компьютера. С его помощью специалисты смогут решить наиболее трудные для традиционной микроэлектроники подзадачи.
Чипы изготовлены по воспроизводимой технологии, потому что это позволяет, с одной стороны, развивать мощности уже созданного вычислительного комплекса, а с другой стороны, серийно изготавливать новые квантовые компьютеры, которые ориентированы на конкретные технические проекты.
Результаты, полученные российскими учеными, означают, что в России создан независимый, работоспособный, пусть и небольшой, квантовый компьютер. Это дает возможность отечественным науке и промышленности решать задачи, используя квантовые вычисления, на собственной технологической базе, что позволяет прогрессировать вне зависимости от международной обстановки.
Технологии квантовых вычислений на сверхпроводниковой платформе
Лидеры в области квантовых вычислений по странам: США, Канада, Япония, Китай, Великобритания, Финляндия. Компания IBM, стартапы Rigetti Computing, финский IQM, китайский Origin Quantum уже продали несколько своих квантовых компьютеров международным заказчикам.
При этом уже показано большое количество алгоритмов, включая алгоритмы коррекции и смягчения ошибок. В компаниях IBM и Amazon реализуют партнерства с финансовыми гигантами, лидерами в автомобильной, авиационной, нефтехимической отраслях, биотехе. Цель — совместный поиск алгоритмов для использования квантовых процессоров в практической плоскости.
Сверхпроводниковые процессоры IBM легли в основу крупнейшей в мире квантовой облачной платформы - в 2023 г. количество пользователей IBM Quantum превысило 450 тыс. пользователей. Сверхпроводниковое «облако» есть у Amazon, Alibaba, Токийского университета. Важно помнить, что, когда появятся практические результаты применения квантовых компьютеров, инвестировать будет уже поздно: эти продукты выйдут на рынок и займут свои ниши. Важно и то, что сверхпроводниковые устройства имеют широкие перспективы развития и практических применений. Имеется в виду не только собственно квантовые сопроцессоры, но и вычислители на одноквантовой логике, квантовые сенсоры, параметрические усилители с квантовым уровнем собственных шумов для применений в астрофизике.
Короткая ссылка
