Учёные решили главную проблему масштабирования квантовых процессоров на нейтральных атомах
Исследователи НИТУ МИСИС, МФТИ, Сколтеха, Российского квантового центра, МГУ и МИАН им. В.А. Стеклова предложили концепцию новой архитектуры платформы для квантовых вычислений.
Согласно ей, специальные атомы-передатчики курсируют между вычислительными кубитами и поддерживают связь между ними вне зависимости от расстояния. Это открывает путь к созданию масштабируемых квантовых процессоров на основе ридберговских атомов.
Нейтральные атомы — одна из наиболее перспективных платформ для реализации кубитов, и интерес к этой платформе продолжает расти: в частности, работы в этом направлении недавно начала компания Google Quantum AI. Для обеспечения взаимодействия кубитов атомы временно переводят в высоковозбуждённые (ридберговские) состояния. Это многократно усиливает взаимодействие между ними, но лишь на малых расстояниях. Два удалённых кубита напрямую взаимодействовать не могут, поэтому операцию между ними приходится выполнять через цепочку промежуточных атомов. Каждая такая операция выполняется с некоторой вероятностью ошибки, и чем длиннее цепочка — а она растёт пропорционально размеру процессора — тем ниже итоговая точность вычислений. Вероятность успешного выполнения логической операции падает экспоненциально с числом кубитов.
«Существующие квантовые процессоры на нейтральных атомах напоминают город, в котором можно разговаривать только с ближайшим соседом. Но чтобы отправить сообщение на другой конец города, придётся передать его от человека к человеку — и каждый раз смысл будет немного искажаться. Мы предложили схему, в которой число операций фиксировано и не зависит от размера системы, то есть информация минует лишние звенья цепи и доходит в первозданном виде», — сказал к.ф.-м.н. Иван Дудинец, научный сотрудник Российского квантового центра.
Физики разделили кубиты на два типа. Вычислительные кубиты удерживаются в статическом массиве оптических пинцетов и не перемещаются в ходе вычислений. Кубиты-передатчики — специальные подвижные атомы — доставляют квантовую информацию между любыми двумя вычислительными кубитами: атом-передатчик подлетает к первому кубиту, «забирает» квантовое состояние, перемещается ко второму и выполняет операцию. После этого передатчик утилизируется или повторно используется.
В концепции предложено пять архитектур, различающихся способом перемещения передатчиков: конвейерные схемы с движущимися оптическими ловушками, схема свободного полёта атома с последующим захватом, а также гибридные решения с маршрутизацией и квантовой телепортацией. Подробности исследования — в ведущем международном научном журнале Physical Review A.
«Все пять архитектур решают одну задачу. Разница в том, как именно перемещается кубит-передатчик. В конвейерных схемах атом едет в движущейся оптической ловушке, в схемах со свободным полётом — запускается как снаряд и взаимодействует с кубитами на лету, гибридные схемы с квантовой телепортацией минимизируют число операций за счёт измерения кубита прямо в ходе вычислений. Наиболее реализуема сегодня двунаправленная конвейерная схема — все необходимые компоненты уже продемонстрированы экспериментально, однако она требует наибольшего числа операций и потому наиболее чувствительна к точности физических вентилей. Мы видим большой потенциал для экспериментальной реализации», — отметил к.ф.-м.н. Алексей Федоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС.
Работа проведена при поддержке Госкорпорации «Росатом» в Дорожной карте «Квантовые вычисления» (договор № 868-1.3-15/15-2021 от 05.10.2021). Исследования выполнены в НИТУ МИСИС в стратегическом технологическом проекте «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».
Об университете
Университет МИСИС — ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. Первым в России получил статус «Национальный исследовательский технологический университет». Входит в ТОП-5 лучших вузов страны по версии Round University Rankings и в топ-10 согласно рейтингам Times Higher Education (THE) и Interfax. В составе: 10 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом; 48 исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров. Основные направления: создание инновационных материалов для микроэлектроники, космоса, ядерной и солнечной энергетики и др.; металлургия; аддитивное производство; горное дело; биоинженерия; ИТ и машинное обучение; квантовые технологии и коммуникации; инжиниринг; промышленный дизайн; технологическое искусство; экономика и инноватика. Университет занимает лидерские позиции в госпрограмме Минобрнауки России «Приоритет-2030» и федеральном проекте «Передовые инженерные школы». Является участником пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования.