Российские учёные стали на шаг ближе к универсальному квантовому компьютеру

Российские учёные Университета МИСИС и Российского квантового центра (РКЦ) совместно с коллегами из МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» предложили и продемонстрировали новый метод реализации быстрой двухкубитной операции на сверхпроводниковых кубитах-флаксониумах, которая может лечь в основу масштабируемых и устойчивых к ошибкам квантовых процессоров. Благодаря исследованию, опубликованному в одном из ведущих научных журналов PRX Quantum (Q1), российские ученые стали еще на один шаг ближе к созданию универсального квантового компьютера, способного решать задачи в области логистики, машинного обучения и криптографии, которые сейчас кажутся практически нерешаемыми.

Операция управляемого Z вращения или CZ — базовая операция в квантовых вычислениях, выполняемая между двумя наименьшими носителями квантовой информации — кубитами. Такая операция изменяет состояние одного кубита в зависимости от состояния второго так, что их состояния запутываются. Именно возможность оперировать такими запутанными состояниями позволяет говорить о квантовых процессорах как о революционных устройствах, которые значительно ускорят обработку данных и решение сложных задач.

Главным вызовом при создании универсальных квантовых вычислителей является создание долгоживущих кубитов с высокой точностью операций. Флаксониумы — разновидность сверхпроводниковых кубитов со сложной энергетической структурой, с каждым годом становятся все более привлекательными для ученых благодаря высокой продолжительности жизни и точности работы по сравнению с другими типами кубитов, например, трансмонами. Однако достижение высокой точности двухкубитных запутывающих операций на флаксониумах при эффективном подавлении паразитных взаимодействий, “портящих” квантовое состояние, все ещё остается сложной задачей.

В своем исследовании ученые Университета МИСИС, Российского квантового центра, МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» предложили новый подход к выполнению операций CZ на кубитах-флаксониумах, связанных через еще один кубит (связующий элемент), однокубитная операция на котором позволяет эффективно получить двухкубитный гейт, преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определённому закону. Точность работы составила 97,6%, а продолжительность операции — всего 44 нс.

«Для универсальной двухкубитной операции необходимо короткое время выполнения, отсутствие промежуточных состояний с плохой когерентностью, низкий уровень остаточного взаимодействия, когда связь не активирована, и простая процедура калибровки последовательности управляющих сигналов. В данном случае мы объединяем архитектуру, в которой кубиты связаны друг с другом через дополнительную степень свободы (связующие элементы), с активацией гейта СВЧ-сигналом, что позволяет сохранять кубиты в точке с высокой когерентностью в продолжение всей операции», — рассказал инженер лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС, младший научный сотрудник группы “Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы” РКЦ Илья Симаков.

«Высокой когерентности кубитов, как и проведению логических операций, включая CZ-гейты, может помешать даже дефект атомарного масштаба. Тем более, когда речь идет о флаксониумах – сложнейших в изготовлении кубитах, содержащих цепочку суб-микрометровых Джозефсоновских переходов. Мы разработали технологию создания сверхпроводниковых схем на базе кубитов-флаксониумов из более сотни технологических операций, обеспечивающую высокое качество квантовых элементов и их повторяемость, а, значит, возможность дальнейшего масштабирования на пути к универсальному вычислителю», – отметил Илья Родионов, директор НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».

При создании сверхпроводникового квантового процессора исследователи отошли от концепции прямого соединения кубитов и предложили более подходящий для масштабирования подход, основанный на использовании специальных соединительных элементов. Это позволило улучшить работу системы, и использовать более совершенные подходы к выполнению квантовых операций.

Как было неоднократно отмечено, флаксониумы, благодаря высокой когерентности (способности преобразовывать квантовые состояния) и значительной ангармоничности (нелинейности), могут стать ключом к усовершенствованию сверхпроводниковых квантовых схем и в перспективе заменить широко используемые на сегодняшний день трансмоны.

Сейчас исследователи уже начали работу над масштабированием предложенного подхода, а также разрабатывают концепцию выполнения трехкубитной операции на флаксониумах с использованием одного соединительного элемента.

Таким образом, российские ученые стали еще на шаг ближе к созданию универсального квантового компьютера, способного решать задачи в различных областях, например для моделирования молекулярных и химических реакций, что станет залогом дальнейшего развития фармацевтики и материаловедения.