В России создали первый в мире квантовый компьютер на кусептах — это решит проблему масштабирования

«Долго запрягают, но быстро ездят» — эта, то ли цитата, то ли пословица хорошо ложится на разработку квантовых платформ в России. Эти платформы плохо масштабируются, что вынуждает думать об основе, прежде чем начинать создавать практичные решения. И тогда перспективы открываются у многоуровневых кубитов — кудитов. Лучшие разработки в этой сфере смог обойти Российский квантовый центр, представив квантовую систему на семиуровневых кусептах.

За последние годы российская наука сделала заметный шаг в деле создания квантовых вычислительных машин, и появление первого отечественного ионного квантового компьютера на кусептах — семиуровневых квантовых элементах — можно считать кульминацией этой работы. Такой подход позволяет расширить вычислительную ёмкость системы без простого увеличения числа кубитов (но эта линейная простота лишь кажущаяся). Многоуровневые квантовые состояния, реализованные учёными Российского квантового центра на основе 26 ионов кальция, обеспечивают эквивалент 72-кубитной вычислительной мощности и, помимо прочего, демонстрируют рекордную для систем такого масштаба точность ключевых операций.

Классический подход к масштабированию квантовых систем с помощью наращивания числа двухуровневых кубитов давно известен, но он сталкивается с ограничениями по контролю, устойчивости и габаритам платформы. Команда учёных во главе с Кириллом Лахманским пошла иным путём: они сосредоточились на многоуровневых квантовых состояниях — так называемых кудитах и, в частности, кусептах, способных принимать значения от 0 до 6. Такая стратегия позволяет увеличить объём информации, которую может обрабатывать один квантовый элемент, и тем самым выйти на качественно иной уровень масштабирования и вычислительных возможностей.

Создание этой системы стало возможным благодаря комплексному решению инженерных и научных задач: разработке специализированных лазерных комплексов, сложной оптической архитектуры, а также модернизации управляющей электроники и программного обеспечения. На стадии контрольных испытаний новые вычислительные блоки продемонстрировали среднюю точность однокубитных операций 99,92 % и двухкубитных 96,5 %, что соответствует высокому уровню исполнения и подтверждает работоспособность архитектуры.

В планах научной группы — интеграция ионных ловушек с индивидуальным контролем частиц и реализация алгоритмов для решения практических задач комбинаторной оптимизации (алгоритма MaxCut). Таким образом, новый квантовый компьютер представляет собой не только научный прорыв, но и технологическую платформу для решения сложных прикладных задач в логистике, моделировании и оптимизации, хотя когда это время придёт сегодня вряд ли кто-то точно может сказать. По крайней мере, многоуровневые состояния создают хорошую основу для масштабирования, тогда как классические двухуровневые явно испытывают с этим трудности.

Добавим, квантовая платформа на 72 кубитах на ионах кальция стала третьей за последние дни, представленной российскими учёными в этой интересной области вычислений. Ранее были показаны 70-кубитный компьютер на ионах иттербия от научной группы Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), а также 72-кубитная платформа на холодных атомах рубидия от МГУ.