прототип квантового компьютера в россии

В России разработали пятикубитовый прототип квантового компьютера

Специалисты Московского физико-технического института в Лаборатории искусственных квантовых систем разработали первую в стране интегральную схему на базе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе. Авторы разработки назвали ее прототипом квантового процессора.

Образец интегральной схемы

По словам исследователей, схема полностью управляемая и может применяться в квантовом машинном обучении. Она уже прошла ряд испытаний. Тесты показали, что элементы схемы работают с заданными параметрами.

Научный сотрудник лаборатории Алексей Болгар отмечает, что первый кубит был получен шесть лет назад. По его словам, за эти годы исследователи смогли создать надежную технологию для многокубитных вычислительных устройств. Нынешний прототип, как поясняет Болгар, позволяет полностью контролировать состояние всех пяти кубитов. Именно такие схемы необходимы для создания универсального квантового компьютера на сверхпроводящих кубитах.

Создание такой схемы стало возможным благодаря улучшению контроля геометрических и электрических параметров туннельных контактов, наладке технологии изготовления микроволновых резонаторов и отладке процесса изготовления «навесных мостиков» для подавления паразитных резонансных модов.

В МФТИ пока не раскрывают планов по разработке новых многокубитовых интегральных схем и их внедрению. Дальнейшее развитие технологии потребует модернизации и дополнительного оснащения лаборатории.

В 2019 году директор по цифровизации госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева заявляла, что проект по инвестированию в квантовые компьютеры могут профинансировать на 24 млрд рублей. Основные затраты предусмотрены на разработку квантовых процессоров четырех разных типов и создание облачной платформы для доступа к квантовых вычислениям.

Ранее сотрудник российской компании «Элвис-плюс» Валерий Смыслов принял участие в создании стандарта безопасности IETF, касающегося квантовых атак. Механизм направлен на противодействие будущим возможным атакам с использованием квантовых компьютеров.

Один из лидеров в области разработки квантовых компьютеров, IBM, в 2020 году представила обновленную дорожную карту развития этого направления. В 2023 году компания планирует создать квантовый компьютер с 1121-кубитовым процессором. Долгосрочная цель IBM — построить квантовую систему на миллион кубитов.

Источник

В России заработал первый прототип квантового компьютера

В России создан и успешно протестирован прототип первого отечественного квантового компьютера. Над ним работали специалисты НИТУ «МИСиС» и МГТУ им. Баумана, и в нем используются кубиты из сверхпроводящих материалов. Их применение обусловило ряд преимуществ российского квантового компьютера над аналогами на базе с кубитами на отдельных атомах и ионах.

Отечественный квантовый компьютер

В Национальном исследовательском технологическом университете (НИТУ) «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Об этом CNews сообщили представители вуза. Разработка компьютера стартовала три года назад, в 2016 г. в рамках проекта Фонда перспективных исследований.

Прототип квантового компьютера доказал свою работоспособность, превысив ранее определенный предел точности на 3%. В процессе тестирования компьютер, основанный на двух кубитах, успешно выполнил алгоритм Гровера – алгоритм перебора для функции. Компьютер он успешно перешагнул порог 50%-ной вероятности верного ответа, дойдя до 53%.

Кто занимался разработкой

Создание российского квантового компьютера возглавил главный научный сотрудник Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» Валерий Рязанов. В качестве основы для кубитов в нем могут использоваться особые сверхпроводящие материалы.

Специалисты НИТУ «МИСиС» занимались проектированием чипа для квантового компьютера, а его изготовление было доверено МГТУ им. Баумана. В дальнейшем сотрудники НИТУ «МИСиС» выполнили наладку и запуск устройства.

Преимущества сверхпроводящих материалов

По словам представителей университета, в сравнении с аналогичными квантовыми компьютерами отечественный прототип на сверхпроводящих материалах можно считать более совершенным. Его сравнили с разрабатываемыми сейчас компьютерами, в которых используются кубиты на отдельных атомах. Как отметили специалисты, кубиты такого рода могут в определенном смысле «потеряться» по причине их сверхмалых размеров.

Также ученые провели сравнение с кубитами на основе ионов, и оно снова оказалось в пользу сверхпроводящих материалов – ионы, по их словам, можно выстраивать только линейно, что «физически неудобно».

Используемые в прототипе российского квантового компьютера выполнены из алюминия, и «потерять» их невозможно за счет большего по сравнению с кубитами на отдельных атомах размеров – 300 микрон. К тому же, в отличие от кубитов на ионах, алюминиевые российские кубиты можно выстраивать нелинейно.

Важность выполнения алгоритма Гровера

Инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Илья Беседин заметил, что успешное выполнение алгоритма Гровера именно на двух кубитах является важным шагом на пути к созданию квантового компьютера. «Мы показали возможность реализации всех необходимых для логических операций для универсального квантового процессора: инициализации, однокубитных и двухкубитных операций и считывания, причём с удовлетворительным для небольших алгоритмов уровнем ошибок», – отметил Беседин.

Следует отметить, что демонстрация выполнения данного алгоритма на квантовых компьютерах проводилась и раньше, в других странах. Об этом сказал и сам Илья Беседин, подчеркнув, что в данном случае речь не о первенстве, а о технологическом достижении.

Квантовая лихорадка

Над созданием квантовых компьютеров работают ученые и компании многих стран мира. Так, 21 сентября 2019 г. стало известно, что созданный корпорацией Google квантовый компьютер за три минуты выполнил задачу, на которую самому мощному на сегодняшний день компьютеру нужно 10 тыс. лет. Об этом сообщило издание Financial Times.

На день раньше, 20 сентября 2019 г., был создан квантовый компьютер «для бедных», способный работать при комнатной температуре, о чем сообщал CNews. Исследователи из японского Университета Тохоку и американского Университета Пердью создали нетрадиционную спинтронную вычислительную схему и доказали с ее помощью практическую применимость концепции так называемых «вероятностных» вычислений. Опираясь на законы спинтроники, группа ученых создала вероятностный компьютер на базе p-битов, которые могут использоваться как квантовые кубиты, но при этом способны не только работать при комнатной температуре, но и взаимодействовать с большим количеством соседних битов.

Источник

Квантовые компьютеры в России и мире: как развивается технология

Облачные вычислители

Пионер отрасли, канадская D-Wave, в 2020 году начала предлагать работу с 5000-кубитовыми квантовыми компьютерами Advantage для бизнеса. С ними можно взаимодействовать через облако. Система способна разбивать большую задачу на части для решения классическим и квантовым способами. Однако такие компьютеры не являются универсальными, а используются для решения определенной задачи в качестве вычислителей.

Google после презентации Sycamore заявила, что потратит несколько миллиардов долларов на создание к 2029 году коммерческого квантового компьютера. Компания планирует предлагать свои услуги через облако. Google хочет создать машину на миллион кубитов, а ее текущие системы включают менее 100 кубитов.

Компактные решения

В январе 2019 года IBM объявила о выпуске Quantrum System One, первой в мире модели квантового компьютера для бизнеса. Устройство помещено в гладкий стеклянный корпус объемом 9 кубических футов.

Осенью 2020 года IBM представила дорожную карту развития своих квантовых компьютеров. Компания собирается в 2023 году создать квантовый компьютер с 1121-кубитовым процессором. Долгосрочная цель — построить квантовую систему на миллион кубитов. Компания считает, что появление систем с 1000 кубитами снимет ограничения для коммерческого использования квантовых систем.

В 2021 году IBM запустила первый Q System One за пределами США, в Германии. Это самый мощный коммерческий квантовый компьютер в Европе, который имеет процессор в 27 кубитов. Систему будет использовать научно-исследовательский институт Фраунгофера.

Контролируемые кубиты

Intel в январе 2018 года объявила о поставке тестового квантового процессора с 49 кубитами под названием Tangle Lake. Но более интересна работа другого подразделения компании, которое пытается разработать кубиты из традиционного кремния. Толщина таких кубитов составляет всего около 50 нанометров, или 1/1500 ширины человеческого волоса. Это открывает возможности для производства крошечных квантовых процессоров с миллионами кубитов, которые можно охлаждать почти до абсолютного нуля. Кстати, компания работает и над этим. Инженеры Intel совместно с компанией QuTech разрабатывают систему контроля «горячих» кубитов с температурой чуть больше –272,15ºC. Кроме того, Intel в 2019 году показала контроллер кубитов Horse Ridge, который может работать даже при очень низких температурах и выдерживает охлаждение до −269 ºC. Horse Ridge в будущем поможет масштабировать многокубитовые квантовые системы.

Дешевые системы

Система разработана для школ и колледжей и умеет оперировать только двумя кубитами. Поставки первых SpinQ уже идут в Тайвань, Гонконг и Осло. Разработчики надеются, что системы позволят ученикам понять базовые принципы работы квантовых вычислителей.

Амбициозные стартапы

Российские разработки

Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», рассказал, что в 2016 году при поддержке Фонда перспективных исследований стартовал первый в России проект по созданию квантовых информационных систем на основе сверхпроводящих кубитов. А в 2018 году начался пилотный проект по развитию двух других платформ квантовых вычислений: нейтральных атомов в оптических ловушках и интегральных оптических чипов.

Специалисты Национальной квантовой лаборатории в 2021 году сообщили о создании прототипа квантового компьютера совместно с РКЦ и ФИАНом. Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Сейчас ученые пытаются проводить на ионной платформе прикладные вычисления, моделируют и тестируют алгоритмы.

Они планируют создать действующий образец квантового процессора на сверхпроводниках к концу 2024 года.

Пятикубитный прототип процессора продемонстрировали также в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. Она уже прошла ряд испытаний. Тесты показали, что элементы схемы работают с заданными параметрами.

В июне 2021 года Российский квантовый центр, НИТУ «МИСиС», Университет ИТМО, МГТУ им. Баумана, Росатом и Институт Иоффе создали квантовый симулятор на основе массива из 11 сверхпроводящих кубитов.

Кроме того, ученые из Национальной квантовой лаборатории и Российского квантового центра совместно с исследователями из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали миниатюрные источники оптических гребенок. Их применение может произвести революцию во многих областях, где на данный момент используются лазеры: в медицине, здравоохранении, безопасности, телекоммуникациях и даже в умных городах.

Российские ученые работают и над специализированным облачным софтом. В апреле 2021 года Российский квантовый центр запустил универсальную облачную платформу квантовых вычислений, которая позволяет решать прикладные бизнес-задачи на квантовых процессорах без специальных знаний в квантовой механике. Свою собственную платформу представил и Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова.

«На сегодняшний день основным заказчиком квантовых технологий в России является государство — во многом это объясняется стратегической важностью квантов. Тем не менее, квантовые вычисления будут полезны бизнесу, обрабатывающему большое количество данных и решающему сложные расчетные задачи. Например, в области финансов и инвестиций, энергетики, транспорта, логистики, химии и фармацевтики», — подчеркивает Юнусов.

Источник

В России создан прототип квантового компьютера

«Национальная квантовая лаборатория» сообщила о создании прототипа квантового компьютера: ученые смогли собрать платформу из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Отставание российских разработок в области квантовых компьютеров от передовых стран составляет 7–10 лет, утверждают эксперты

Консорциум «Национальная квантовая лаборатория» (создан под эгидой «Росатома» при участии ВШЭ, МИСиСа, МФТИ и других организаций) планирует создать полноценный квантовый процессор на ионах к декабрю 2024 г. – этот срок указан в целевых показателях дорожной карты «Квантовые вычисления» с бюджетом в 24 млрд руб.

На начальном этапе задача ученых заключалась в том, чтобы поймать, стабилизировать и удерживать в электромагнитном поле некоторое количество ионов. Для этого использовалась ионная ловушка – набор из нескольких заряженных электродов (от 4 до 6), которые и создают магнитное поле. Об этом «Ведомостям» рассказали представители «Росатома» и Российского квантового центра, принявшие участие в разработке.

Следующий этап – научиться проводить на этих ионах прикладные вычисления. Собранная российскими учеными система пока не позволяет этого делать, но в то же время она дает возможность моделировать и тестировать алгоритмы, на которых впоследствии можно будет запустить работу квантового компьютера.

Ионы – одна из физических основ для работы квантового компьютера. Это не единственное направление их создания: ученые экспериментируют также с нейтральными атомами, фотонами и сверхпроводниками – платформы на этих основах имеют различные физические свойства и вычислительные возможности. В обычном компьютере эту роль выполняет кремний.

Дорожная карта «Квантовые вычисления» предусматривает создание к 2024 г. отечественных квантовых процессоров на сверхпроводниках, атомах и фотонах. Уже к декабрю 2022 г. должен быть разработан полный стек программного обеспечения и создан сервис по предоставлению доступа к облачной платформе для квантовых вычислений.

«Ионные платформы считаются одним из наиболее перспективных направлений в квантовых вычислениях, – объясняет ведущий научный сотрудник «Сколтеха» Игорь Захаров. – Однако по факту от создания полноценного квантового компьютера нас отделяет еще лет 10. А то, что есть сейчас, – это симулятор системы, устройство, позволяющее моделировать работу будущего компьютера».

Наибольшие достижения в этой сфере – у американских компаний IonQ и Honeywell, объясняет старший научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров: «В IonQ научились выполнять вычисления максимум на 30 связанных ионах, а оптимизировали для работы только платформу из 22 ионов. Сегодня физики еще не понимают, какой из квантовых процессоров окажется наиболее эффективным, поэтому работают сразу с несколькими платформами. Сейчас от мировых лидеров Россия по своим достижениям отстает на 7–10 лет, но за время реализации дорожной карты его можно будет сократить до 2–3 лет».

С этой оценкой согласен профессор МИСиСа Александр Печень: «Работа по созданию отечественного квантового компьютера только началась, однако планы «Росатома» очень амбициозны. При выполнении ежегодных заявленных показателей в ближайшие годы отставание от лидеров получится сократить».

Если в традиционных компьютерах минимальной единицей вычисления является бит, то в квантовых – кубит. В отличие от битов в классических компьютерах, способных принимать только значения 0 и 1, кубит на ионе (или на любой из перечисленных основ) может занимать суперпозицию и быть сразу и 0, и 1. Это позволяет многократно ускорить вычисления: например, осенью 2019 г. Google объявил о том, что достиг «квантового превосходства», решив на своем квантовом компьютере за 200 секунд задачу, на решение которой «самому современному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет». В компьютере Google в 2018 г. было 53 кубита.

«Количество кубитов определяет предельную сложность выполняемой операции: чтобы выполнять сложные алгоритмы, например разложение чисел на простые множители или моделирование молекул, нужны системы с большим количеством кубитов, – объясняет Федоров. – При этом выполнение таких операций с высокой точностью в многокубитной системе – сложная задача, так как при увеличении количества кубитов они начинают «мешать» друг другу и качество операций падает». По этой причине квантовые компьютеры существуют преимущественно в лабораториях – их промышленному применению и серийному производству мешает недостаточная мощность и стабильность работы этих машин. Квантовый компьютер с десятками (а в перспективе сотнями и тысячами) связанных, стабильно работающих кубитов пока демонстрирует свои возможности эпизодически. По мнению большинства ученых, от широкого внедрения квантовых компьютеров нас отделяют десятилетия.

Однако в сфере разработки программного обеспечения для квантовых компьютеров Россия практически не отстает от лидеров, отмечает Захаров: «Этого будет достаточно, чтобы продемонстрировать «квантовое превосходство» уже в ближайшие 3–5 лет».

Источник

Первый в России прототип квантового компьютера заработал в НИТУ «МИСиС»

В НИТУ «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило заданный алгоритм, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы.

Работы по созданию квантового компьютера в рамках проекта Фонда перспективных исследований ведутся в НИТУ «МИСиС» с 2016 года под руководством Валерия Рязанова, главного научного сотрудника Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов университета. Конструкция предполагает использование в качестве основы для кубитов сверхпроводящих материалов.

Кубиты (квантовые биты) — действующая сила квантового компьютера, аналог «битов» у обычного ПК, только куда более совершенный. Если привычный нам компьютер «мыслит» и считает нулями и единицами, то есть каждый бит информации может быть закодирован либо как «0», либо как «1», то кубит обладает свойством так называемой суперпозиции, способности находиться одновременно в обоих состояниях. Это открывает огромные перспективы, ведь при таких вычислительных ресурсах квантовый компьютер сможет обогнать самые мощные вычислительные устройства на целые порядки.

Квантовый компьютер на сверхпроводящих материалах — более совершенная система по сравнению с аналогами. Например, другими научными коллективами разрабатываются кубиты на отдельных атомах (которые могут «потеряться» из-за ничтожно малого размера) и на ионах (их можно выстраивать исключительно линейно, что физически неудобно). Созданные в НИТУ «МИСиС» кубиты сделаны из алюминия, имеют размер в 300 микрон, их нельзя «потерять», а еще можно выстраивать нелинейно.

В ходе эксперимента двухкубитный квантовый компьютер решал алгоритм Гровера — алгоритм перебора для функции. Квантовый компьютер, благодаря принципу суперпозиции, в идеальном случае может найти правильное значение x в решении этой задачи за одно обращение к функции f(x) с вероятностью 100%.

«Алгоритм Гровера на двух кубитах — это очень важный шаг на пути к созданию квантового компьютера. Мы не первые в мире, кто продемонстрировал его работу, но здесь идёт речь в первую очередь о технологическом достижении. Мы показали возможность реализации всех необходимых для логических операций для универсального квантового процессора: инициализации, однокубитных и двухкубитных операций и считывания, причём с удовлетворительным для небольших алгоритмов уровнем ошибок», — рассказал один из участников проекта инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Илья Беседин.

Самая большая трудность на пути к созданию полезного квантового процессора — ошибки. В отличие от классческих компьютеров, которые могут работать годами и всегда выдавать воспроизводимые и предсказуемые результаты, квантовые компьютеры подвержены влиянию шума, который искажает результаты вычислений. Несмотря на то, что созданный в НИТУ «МИСиС» процессор из двух кубитов слишком мал для решения прикладных задач, он успешно «перешагнул» порог 50%-ной вероятности верного ответа, дойдя до 53%.

Весь алгоритм состоит из инициализации двух кубитов, четырёх однокубитных операций, двух двухкубитных операций и считывания двух кубитов; ошибки в любой из которых уменьшает вероятность правильного ответа в ответе.

Чип для квантового компьютера изготавливали в МГТУ им. Баумана, а его проектированием и запуском устройства занимались уже в НИТУ «МИСиС», где в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» выстроен уникальный комплекс оборудования с криостатами, обеспечивающими работу при сверхнизких температурах до —273,14 градусов Цельсия, что близко к абсолютному нулю.

«Тем не менее, перед нами ещё большой путь, — добавляет Илья Беседин. — Совсем недавно в прессу попали ещё не опубликованная официально статья компании Google, которым удалось реализовать на сверхпроводниковом квантовом процессоре алгоритм „квантового превосходства“. Задача „квантового превосходства“ — это наиболее благоприятная именно для квантового компьютера задача, которую при этом очень сложно выполнить на классическом компьютере. И если у нас преодоление „классического“ предела — это всё-таки фундаментальный результат, то результат Google — это уже ближе в практическую сторону: они смогли сформулировать и решить задачу, которую их процессор может выполнить за минуты, а мощный суперкомпьютер проверял неделями».

И даже при этом Google ещё не удалось приблизиться к тому, чтобы квантовый компьютер решал какую-либо практически полезную задачу эффективнее, чем классический. Однако пока теоретические предсказания относительно вычислительного превосходства квантовых компьютеров экспериментами подтверждаются.

Следующие важные шаги на пути к созданию полезного квантового компьютера — это демонстрация уменьшенных до размеров нескольких десятков кубитов версии «полезных» квантовых алгоритмов (например, симулятор химической реакции или основного состояния молекулы) и демонстрация квантовой коррекции ошибок. Вот именно для коррекции ошибок, кстати, сверхпроводниковые кубиты подходят лучше всего: их можно организовать в двумерную решётку с локальными взаимодействиями и параллельными вентилями, которая необходима для «поверхностного кода» — самого простого с точки зрения требований и к точности операций.

«Мы тоже хотим двигаться в эту сторону, но с моей точки зрения в квантовых вычислениях важно не только „больше“, но и „лучше“: сверхпроводниковые кубиты, которые мы сейчас используем, получаются довольно дорогими и дают много ошибок. И перед тем, как делать сотни и тысячи кубитов, на мой взгляд, стоит ещё поработать над самой базовой единицей — кубитом», — подводит итог Илья Беседин.

Источник