Российские ученые изготовили четырехкубитный квантовый процессор на сверхпроводниках

Российским ученым удалось создать четырехкубитный квантовый вычислитель и продемонстрировать на нем точность двухкубитных операций более 97 процентов. Физически процессор представляет собой сверхпроводниковую интегральную микросхему, спроектированную учеными из МФТИ и НИТУ МИСиС, говорится в пресс-релизе, поступившем в редакцию N + 1.

Почти две недели назад мы писали о том, что специалисты компании IBM разработали и изготовили чип с 433 сверхпроводниковыми кубитами, но не продемонстрировали на нем никаких вычислений. Несмотря на рекордное число кубитов, с физической точки зрения есть еще одна важная характеристика вычислителя — возможность реализовывать квантовые операции между кубитами. Это отдельная и не менее сложная задача.

Физики из МФТИ И НИТУ МИСиС тоже занимались разработкой топологии схем для чипа со сверхпроводниковыми кубитами. В отличие от коллег из IBM, они сосредоточились не на одной задаче — масштабировании или создании идеального квантового вентиля, а решали сразу обе, чтобы изготовить рабочее устройство, хоть и не с большим числом кубитов.

Авторская микросхема состоит из пяти зарядовых кубитов, один из которых в эксперименте не использовался. Каждый джозефсоновский переход шунтирован конденсатором большой емкости — это позволяет сделать кубит более учтойчивым к зарядовым шумам и увеличить его время жизни. Связь кубитов между собой позволяет им обмениваться энергией и управляемо изменять друг у друга фазу в состояниии суперпозиции. Первый тип взаимодействия позволяет реализовывать алгоритмы с квантовым машинным обучением, а второй — стандартные квантовые алгоритмы.

Контролируемое взаимодействие между соседними кубитами описывается двухкубитными операциями, в которых в зависимости от состояния одного из кубитов (управляющего) меняется или не меняется состояние второго (управляемого). Авторы реализовывали вентиль CZ (controlled-Z gate) — вентиль, в котором меняется фаза управляемого кубита. Математически квантовые вентили можно описывать с помощью матриц, каждому преобразованию соотвествует своя матрица, которая переводит начальное состояние-вектор в конечное (конечный вектор состояния рассчитывается как произведение матрицы преобразования на исходный вектор). Понять насколько хорошо реализован вентиль можно сравнив его матрицу с теоретической. Авторам удалось добиться точности в 97 процентов для вентиля CZ.

Чтобы реализовать двухкубитный вентиль с хорошей точностью, необходимо так же точно его откалибровать. В работе физики тестировали перекрестное взаимодействие кубитов с помощью подачи на процессор псевдослучаных последовательностей операций и проводили квантовую томографию процесса — зная входное и выходное состояния кубитов восстанавливали матрицу процесса.

Важный параметр для квантового процессора, подверженного декогеренции — время проведения одной логической операции. В эксперименте оно оказалось равным 0, 025 микросекунд. Это значит, что за время жизни квантового состояния процесса можно провести 3200 операций.

Подробнее о сверхпроводниковых и не только вычислителях можно узнать из нашего материала по квантовым технологиям. О том, как Google показал квантовое превосходство на сверхпроводниковом вычислителе — тут, а о том, как из результаты опровергли китайские физики — тут.