Ученые из Российского квантового центра и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН представили прототип квантового компьютера на ионах. Исследователям удалось разработать систему из 2 куквартов (квантовых элементов с четырьмя состояниями), с помощью которой можно проводить операции как с четырьмя кубитами. В результате эксперимента российским учёным удалось показать, что качество операций между кубитами, связанными в кукварт, превосходит качество операций над независимыми частицами, что в будущем обеспечит более высокое качество реализации квантовых алгоритмов.
Куквартовая арифметика
В классических квантовых процессорах обычно используются в основном минимальные квантовые элементы хранения информации — кубиты, которые способны представлять суперпозицию 0 и 1. Количество состояний, в которых находится квантовый процессор, быстро растет с увеличением числа кубитов за счет возможности связывать их между собой. Эта особенность позволяет квантовым устройствам решать различные вычислительные задачи на порядки быстрее классических компьютеров и суперкомпьютеров. Однако существуют и другие квантовые элементы — кудиты. Такие элементы, которые способны одновременно находиться в 3-х состояниях, называются кутриты, а в 4-х — кукварты.
Российские физики из Российского квантового центра и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН построили систему из 2 куквартов и показали, что она эквивалентна квантовой системе из 4 кубитов. В ходе эксперимента исследователи захватили в вакуумной камере 2 иона, и с помощью лазера провели над ними набор однокубитных операций, двухкубитную операцию внутри кукварта, а также операцию по перепутыванию 2 частиц — шлюз Мёльмера-Соренсона, который может быть использован для реализации алгоритма Гровера. Это доказывает логическую эквивалентность кукварта двум кубитам, и позволяет наращивать количество кубитов не только экстенсивно, но и при помощи использования кудитов с большим количеством состояний.
«Для нас это первый значимый результат в работе над дорожной картой по квантовым вычислениям, — подчеркнул руководитель проектного офиса по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом» Руслан Юнусов. — На созданной базе к концу 2024 года будет построен универсальный квантовый компьютер с облачным доступом. Сегодня платформа на ионах демонстрирует одни из самых интересных результатов, что особенно примечательно, так как 5 лет назад ионы не считались приоритетным направлением развития».
Путь к универсальным вычислениям
«В рамках реализации дорожной карты развития квантовых вычислений «Росатом» выступает интегратором и координатором взаимодействия ведущих научных центров страны и технологического бизнеса, — пояснила важность проделанной работы директор по цифровизации Госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева. — Одна из наших задач — обеспечение российских ученых всем необходимым, чтобы приблизить ожидаемый технологический прорыв. Результаты по созданию квантового компьютера на ионах свидетельствуют о том, что нам удалось набрать необходимый темп. Безусловно, высокой оценки заслуживает научный коллектив Физического института имени П.Н. Лебедева под руководством Николая Колачевского, а также команда Российского квантового центра».
В целом в 2021 году «Росатом» направил на развитие квантовых технологий и создание необходимой исследовательской инфраструктуры более 6 млрд руб., на которые проведена закупка оборудования и комплектация первых лабораторий. Дальнейшая работа продолжится в соответствии с дорожной картой: до 2024 года на создание квантового компьютера суммарно будет направлено более 23 млрд рублей бюджетных и внебюджетных средств.
