Российские физики довели ионный квантовый компьютер до 70 кубитов

Исследователи уже запускают алгоритмы на этой машине удалённо, через облако. Когда она начнёт решать задачи быстрее или дешевле классических компьютеров, по оценке физиков, станет понятно через пять–семь лет.

Как вырос ионный компьютер

Исследователи собрали ионный квантовый компьютер на 70 кубитов. Машина стоит в лаборатории, доступна через облако, и исследователи запускают на ней свои алгоритмы удалённо. Пока это исследовательские задачи: быстрее или дешевле классических компьютеров квантовая машина ещё не считает. В отличие от нейросетей, здесь почти не используют достижения кремниевой электроники, приходится создавать новые технологии. По оценке физиков, первые практические результаты могут появиться через пять–семь лет, если темп разработки сохранится.

Первую пятикубитную ионную машину, на которой можно было запускать алгоритмы, создали в 2016 году. В 2023 году в ней было 20 кубитов, через год — 50, сейчас — 70. Илья Семериков, научный сотрудник Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, внешний исследователь Российского квантового центра, лауреат Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» в номинации «Перспектива» за создание ионного квантового процессора, объясняет рост числа кубитов архитектурой. Её заложили в машину с самого начала. Другие группы в тот момент использовали другие переходы для управления квантовыми состояниями, другие лазеры и пространственные модуляторы.

Ещё одна особенность машины — многоуровневые квантовые системы, кудиты. Здесь используют кукварты: четырёхуровневые системы, которые позволяют закодировать два кубита в одном ионе. Кудитные технологии в мире применяют считаные группы. За эту технологию авторы благодарят коллег из Российского квантового центра. По мнению Семерикова, кудиты окажут существенное влияние на алгоритмы коррекции ошибок, а это ключ к масштабируемому и полезному квантовому компьютеру.

Чтобы установка стала компьютером, пришлось решить несколько десятков задач. Сначала сделали хорошие ионные ловушки — сердце машины. Затем доработали ультрастабильный лазер, который управляет квантовыми состояниями, снижая его фазовые шумы. Собрали систему адресации на акустооптических дефлекторах: она позволяет обращаться к конкретному иону в цепочке из десятков ионов. Самым сложным, по словам Семерикова, оказалось заставить все эти системы работать вместе.

С ростом числа ионов в цепочке усложняется колебательный спектр, поэтому понадобилась отдельная теория оптимизации двухкубитных операций на длинных цепочках. Растут и паразитные эффекты, которые приходится измерять и компенсировать. Чем больше кубитов, тем выше требования к автоматизации и надёжности каждого узла. Раньше кубит кодировали в относительно короткоживущем состоянии с временем жизни около 53 миллисекунд, и оно ограничивало когерентность. В этом году перешли на микроволновый кубит и продемонстрировали время когерентности на уровне 2 секунд. Для ионов это не рекорд, но больше не мешает работе. Декогеренция — потеря квантового состояния. Основные её источники у ионов — шумы магнитного поля, конечное время жизни возбуждённого состояния и, для оптического кубита, время когерентности возбуждающего лазера. Схему кодирования для кудитов подобрали так, чтобы она не чувствовала флуктуаций магнитного поля.

Ионы и сверхпроводники

Сверхпроводниковый кубит — это нелинейная электрическая цепь на чипе, которую охлаждают до температуры в десятки милликельвинов. Такие чипы делают литографией, и каждый экземпляр немного отличается от соседнего. Ионный кубит — отдельный атом, идентичный любому другому атому того же изотопа. Его удерживает электромагнитное поле в вакууме, управляют им лазеры. У ионов времена когерентности на порядки длиннее, двухкубитные операции выполняются с очень высокой точностью, и любой кубит может взаимодействовать с любым. Скорость операций у них заметно ниже: у сверхпроводников гейты быстрые, но когерентность короткая, точность немного ниже, а связи между кубитами жёсткие. Для сверхпроводников время когерентности зависит от материалов и качества изготовления чипа, а недавно исследователи преодолели барьер в 1 миллисекунду.

Выбор ионов Семериков объясняет и историей: группа раньше занималась оптическими часами на одиночном ионе иттербия. Кроме того, мощность квантовых компьютеров сегодня в основном ограничена точностью двухкубитных операций, и по этому показателю ионы — мировые лидеры. Ионная платформа также хорошо подходит для кудитов. Сверхпроводниковые машины развивают, в частности, в Google и IBM. В этом году Google начал разработку собственного квантового компьютера на нейтральных атомах.

Кому это нужно и что мешает

Сейчас заказчики — государство и крупные технологические компании. В России координатором дорожной карты «Квантовые вычисления» выступает «Росатом», и, по словам Семерикова, на сегодня это, вероятно, основной заказчик группы. Облачным доступом уже экспериментируют четыре отрасли. Финансы — оптимизация портфелей, риск-моделирование, задачи Монте-Карло. Химия и фармацевтика — моделирование молекул и реакций, исторически первая прикладная задача Фейнмана. Логистика и оптимизация — комбинаторные задачи большой размерности. Материаловедение и энергетика — поиск катализаторов, материалов для аккумуляторов и сверхпроводников. Кроме того, называют оборонные и криптографические применения, о которых публично говорят меньше. Пока это этап совместного поиска: заказчик приносит задачу, а исследователи вместе с ним выясняют, есть ли в ней квантовое ускорение.

Для прикладной задачи нужны два числа. Для сегодняшнего «шумного» поколения машин, по оценке Семерикова, несколько сотен высококачественных физических кубитов с точностью двухкубитных операций выше 99,9% могут дать преимущество в задачах квантовой химии и оптимизации, но на специально подобранных примерах. Для по-настоящему значимого эффекта нужны логические кубиты с коррекцией ошибок. Для разложения больших чисел по Шору или точного моделирования катализаторов нужны тысячи логических кубитов. Последние работы показывают, что такие задачи можно решить десятками тысяч физических кубитов.

Барьеры, по словам Семерикова, не сводятся к технике. Квантовых алгоритмистов мало и в мире, и особенно в России, а обучать их нужно на реальном железе. Нынешние машины практического превосходства не дают, поэтому для бизнеса это работа на перспективу. Покупать квантовый компьютер компании не нужно: к нему можно подключиться удалённо через облако, хотя само оборудование дорогое. Серьёзная проблема — непонимание, какие задачи стоит «квантовать». Квантовое ускорение есть у определённых классов задач, и нужна совместная работа алгоритмистов и отраслевых экспертов, чтобы найти в бизнес-процессах участки, где машина даст выигрыш. Мешают и завышенные ожидания: квантовый компьютер часто воспринимают как магическое устройство, способное решить любую задачу. Но, как и любой вычислитель, он требует очень квалифицированного подхода. Стартапы в квантовых вычислениях, по мнению Семерикова, пока дают потребителю компетенции и перспективу, а от перспективы до прямой ценности ещё предстоит пройти путь.

Коммерсантъ: наука