Новая архитектура квантового процессора на кудитах: что это и где может применяться

Пару дней назад на Хабре появилась новость о том, что российские ученые получили патент на новую архитектуру квантового процессора. В новости говорилось о том, что в конце 2021 года коллектив ученых из Российского квантового центра разработал прототип компьютера с системой из 4 кубитов. При этом число ионов удалось оставить прежним.

Эта разработка довольно важная, так что о ней стоит рассказать подробнее. Все самое интересное, как всегда — под катом.

Квантовый процессор на основе кудитов используется, что логично, в квантовом же компьютере. Отличие системы на основе кудитов в том, что это квантовые системы, которые одновременно могут находиться в более, чем двух состояниях. Обычно квантовые технологии базируются на кубитах.

Ну а кудиты — эдакий «кубит на стероидах», которые могут находиться в трех (кутриты), четырех (кукварты) и более состояниях. Ученым удалось получить патент на квантовый компьютер, в котором применяются как раз кудиты. Что касается патента, то в настоящий момент его действие актуально лишь для Российской Федерации до конца 2040 года, но планируется и подача заявки на международную регистрацию.

Особенность отечественной разработки в том, что в системе сочетается два подхода по увеличению мощности квантового компьютера. В первом случае кубиты заменяются равным количеством кудитов. Во втором — вместо вспомогательных кубитов используются дополнительные уровни кудитов для выполнения промежуточных вычислений.

В первом случае кудит с четырьмя уровнями декомпозируется на несколько виртуальных кубитов, которые находятся в кубите. Соответственно, та самая четырехуровневая система может быть декомпозирована на две двухуровневые системы. Соответственно, можно сказать, что четырехуровневый кудит эквивалетен двум двухуровневым кубитам.

Что касается второго случае, то дополнительные уровни кудита применяются в качестве промежуточных уровней для хранения информации. Их можно применять в качестве буферов для хранения информации, которая требуется для вычислений. При этом буфером служат не отдельные кубиты, а дополнительные уровни внутри одного кудита.

«Однако квантовые системы, в которых мы используем для вычисления атомы, ионы, частицы света, фотоны, позволяют нам кодировать информацию в гораздо большем количестве состояний. В этом состоит идея кудитов — многоуровневых квантовых систем, в которых 3-4 уровня и так далее. Мы придумали архитектуру квантового процессора, которая позволяет оптимально задействовать дополнительные уровни, чтобы имплементировать какой-либо квантовый алгоритм», — рассказывает руководитель группы Алексей Федоров.

Если вы читаете наш блог, вас могут заинтересовать эти тексты:

→ Как оптимизировать траты на аренду инфраструктуры
→ Готовый реестр контейнеров — кому нужен и как использовать
→ Как мы запустили удаленный регион облака в Узбекистане

Подобная архитектура дает возможность плотнее кодировать данные в физических носителях, что, в свою очередь, позволяет использовать все более сложные и комплексные квантовые алгоритмы. Соответственно, мощность процессора квантового компьютера возрастает, так что операции могут производиться быстрее. По мнению разработчиков, такая технология позволяет ускорить «квантовую революцию», с тем, чтобы соответствующие системы появились в ближайшем будущем.

Квантовые компьютеры позволяют выполнять самые сложные вычисления, включая моделирования органических молекул для создания новых лекарств, решать сложные задачи из разных отраслей и работать с Big Data в широчайшем спектре направлений.

Стоит отметить, что архитектура, предложенная российскими разработчиками — не теория. Сейчас ведется активная работа во вполнощению проекта «в железе». Примерно через пару лет планируется завершить создание универсального квантового компьютера с облачным доступом. Отечественная госкорпорация «Росатом» выделит на проект около 23 млрд рублей.

Конкуренция у компьютеров на кудитах не очень высокая, аналогов мало. Похожие системы смогли разработать только американцы, австрийцы и китайцы. По словам разработчиков из Пекинского университета, их команда решила использовать фотоны, в то время, как США и австрийцы применяют ионы, т.е. в основе технологи лежат те же принципы, которыми руководствуются и отечественные ученые.

Команду российских ученых поддерживает государство, в рамках дорожной карты которого и развивается технология. Еще пару лет назад была разработана четкая стратегия развития квантовых технологиях с прицелом на ближайшее будущее. К слову, на разработку квантовых процессоров нескольких типов выделено 18,6 млрд руб.

За рубежом активно работают на квантовыми системами IBM, Google и некоторые другие компании, включая совсем новичков. Так, в прошлом году стартап QuantWare объявил по поступлении в продажу квантовых процессоров собственного производства. К сожалению, мощными и производительными назвать их нельзя (в сравнении, конечно, с системами будущего, которые описывают специалисты по квантовым компьютерам). Но они созданы для того, чтобы научные сотрудники, коммерческие компании и правительственные организации могли оценить достоинства чипов нового типа.

По словам представителей QuantWare, их квантовые чипы — 5-кубитные, они базируются на так называемых трансмонах. Это сверхпроводящие заряд-кубиты, которые разработаны для того, чтобы иметь сниженную чувствительность к зарядовому шуму. Термин «трансмон» расшифровывается как «Transmission line shunted plasma oscillation qubit» (плазменный колебательный кубит, шунтированный по линии передачи). Процессоры, которые выполнены по этой технологии, получили название Soprano. Hовые 5-кубитные процессоры можно приобрести. По мнению разработчиков, значение этих чипов можно сравнить со значением процессоров Intel 4004 именно потому, что это первые доступные процессоры.

К слову, IBM удалось запустить квантовые компьютеры на основе процессоров уже не в 4 или 5 кубитов, а на базе 27 кубитов. Всего через год компания планирует выпустить квантовый ПК с гораздо более мощным процессором.

Точность работы кубита в Soprano составляет 99,9% — по мнению создателей технологии, этого вполне достаточно для решения большинства вычислений. К слову, именно точность — одна из проблем квантовых компьютеров, поскольку при их создании необходимо держать баланс между количеством кубитов и точностью вычислений. Чем больше кубитов, тем быстрее накапливаются ошибки и происходит декогеренция системы. После этого компьютер «идет вразнос», если так можно выразиться, и вычисляет что угодно, но только не то, что ему дали в качестве исходной задачи.

Что же, пожелаем российским разработчикам удачи и надеемся на то, что рынок квантовых компьютеров будет активнейшим образом развиваться в ближайшее время.