С использованием суперкомпьютера ННГУ «Лобачевский» нижегородские физики совместно с учёными МГУ и Российского квантового центра (Москва) разработали новый метод для управления квантовыми объектами — кубитами, альтернативный квантовым разработкам Google и IBM.
Это позволяет решить проблему запрета продажи в Россию СВЧ-электроники, необходимой для проведения квантовых вычислений на сверхпроводниках.
«Построение квантового компьютера — одна из главных научных задач в современном мире. Квантовые технологии смогут решить целый пласт “нерешаемых” задач в химии, логистике, нефтегазовой отрасли, медицине. Мы разрабатываем компактную и энергоэффективную систему управления сверхпроводниковыми кубитами», — сообщила автор исследования, заведующая научно-исследовательской лабораторией теории наноструктур Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ им. Н.И. Лобачевского Марина Бастракова.
Первые эксперименты стартовали в Российском квантовом центре, учёные разрабатывают технологии для реализации новой схемы управления, а верификацию численных результатов с экспериментом планируют получить уже к 2025 году.
Успешные квантовые проекты IT-гигантов Google и IBM реализованы на процессорах из сверхпроводниковых кубитов. Чаще всего они управляются СВЧ-электроникой. Чип с кубитами находится в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю — около -273,12 °C, при этом минимизируются тепловые шумы и проявляются квантовые свойства индивидуальных микроскопических объектов — кубитов.
Генераторы микроволновых импульсов и линии передач находятся вне криостата при комнатной температуре, поэтому нагрева элементов и энергопотерь не избежать. Большое количество техники и проводов увеличивает количество помех, уменьшая быстродействие и точность квантовых операций. Кроме того, эти условия ограничивают число кубитов в квантовом регистре.
Экспериментальные группы в России включились в «квантовую гонку» и создают аналоги многокубитных систем. Поиск альтернативных способов управления квантовыми устройствами — приоритетная задача. Разработчики из Москвы и Нижнего Новгорода предложили использовать для управления кубитами новую схему сверхпроводникового генератора цифровых импульсов, способных создавать сигналы различной полярности.
«По нашей модели, генераторы цифровых импульсов интегрированы с кубитным чипом и находятся в криостате. Это позволит в перспективе избавиться от проблемы множества “проводов” для управления отдельными кубитами и повысить энергоэффективность процессов. В ситуации, когда учёные борются за каждую наносекунду быстродействия, цифровая сверхпроводниковая схема может ускорить операции примерно в два раза по сравнению с СВЧ-электроникой», — сообщила Марина Бастракова.
На сегодняшний день калибровка сверхпроводниковых квантовых устройств производится практически вручную. Алгоритм учёных ННГУ позволяет рассчитать последовательность импульсов для разных операций с учётом широкого диапазона параметров. Она может быть записана в память генератора, что позволит придать определённую энергию кубиту и получить на выходе нужную квантовую операцию с высокой точностью.
«Разработанный подход должен существенно ускорить выполнение операций в квантовом компьютере, упростить громоздкие системы управления. Это большой шаг вперёд для отечественных квантовых технологий, так как он решает проблему нехватки сверхвысокочастотной импортной электроники. Сейчас мы подбираем материалы и разрабатываем дизайн для базовых элементов нашей модели», — рассказал руководитель проекта в рамках программы «Приоритет 2030», профессор физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Николай Кленов.
Результаты исследования опубликованы в ведущем международном издании Quantum Science and Technology.