МФТИ и НИТУ МИСиС: Четырехкубитный квантовый процессор

Основные статьи:

• Процессор
• Центральный процессор
• Квантовый компьютер и квантовая связь
• Квантовые компьютеры и сети в России

2022: Демонстрация действующего четырехкубитного квантового процессора

Команда ученых МФТИ и НИТУ МИСиС создала четырехкубитный квантовый процессор и продемонстрировала на нем точность двухкубитных операций CZ более 97%. Об этом TAdviser сообщили представители НИТУ МИСиС 16 ноября 2022 года.

В России впервые продемонстрирован действующий квантовый процессор

В эксперименте использовалась разработанная и изготовленная сотрудниками Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ сверхпроводниковая интегральная квантовая микросхема, первые готовые образцы которой были изготовлены еще в марте 2021 года.

«Нам удалось показать высокоэффективные квантовые операции на системе 4-х кубитов, что является уникальным достижением для российских квантовых технологий, – заявил профессор Олег Астафьев. – В проведенном эксперименте время отдельной логической операции составляет около 0.025 мкс. Это позволяет реализовать более 3200 операций за время жизни квантового состояния процессора».

По его словам, при изготовлении квантовой интегральной микросхемы технологами из МФТИ были отработаны важные особенности технологического процесса, что позволило затем уже совместной команде ученых НИТУ МИСиС и МФТИ существенно улучшить ключевые характеристики кубитов.

Фотография КИМС с оптического микроскопа (в ложном цвете).
Микросхема реализует 5 кубитов (емкость одного из них отмечена зеленым), связанных с резонаторами (красный) для индивидуального считывания.
Каждый кубит снабжен управляющей потоковой линией и антенной для осуществления однокубитных операций (синий и желтый, соответственно).

Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять емкостно шунтированных зарядовых кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Кубиты электрически связаны друг с другом и могут как обмениваться энергией, так и управляемо изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний |0⟩ и |1⟩. Первый тип взаимодействия используется в экспериментах по квантовому машинному обучению, а второй удобнее для стандартных квантовых алгоритмов.

а,б) результаты томографии квантовых процессов (данные в двухкубитном представлении Паули). Процесс CZ, восстановленный по экспериментальным данным а), сравнивается с идеальным б).
в) Результаты перекрестного тестирования псевдослучайными последовательностями операций. Среднее значение точности выполнения одной двухкубитной вентильной операции CZ для всех пар кубитов составляет 97,38%.

Для реализации неразрушающего считывания кубитов посредством индивидуальных микроволновых резонаторов использовался широкополосный джозефсоновский параметрический усилитель, также совместно разработанный МФТИ и НИТУ МИСИС.

Двухкубитные операции контролируемого одним кубитом поворота другого кубита (называемые операцией CZ), необходимые для создания квантовой запутанности в схеме, показаны на парах соседних кубитов.

Эксперимент был проведен в МФТИ 8 ноября. Реализовать калиброванную операцию CZ позволило оборудование, предоставленное НИТУ МИСИС, и программный код, разработанный ими ранее.

«Учеными Университета МИСИС и МФТИ впервые в России были экспериментально реализованы алгоритмы перекрестно-энтропийного тестирования и квантовой томографии процесса, которые теперь позволяют проводить оценки точности в принципе любых одно- и двухкубитных вентильных операций на системах сверхпроводниковых кубитов», – рассказал научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС Илья Москаленко.

Реализация подобного эксперимента показывает, что уровень развития технологии и экспериментальной базы достигнутый при сотрудничестве МФТИ и НИТУ МИСИС достаточен для реализации среднемасштабных квантовых устройств без коррекции ошибок.

Следующим этапом совместного проекта является разработка и испытания 8-кубитных симуляторов и процессоров.