В России впервые продемонстрирован действующий квантовый процессор
Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Федоров и Андрей Васенин готовят установку к эксперименту. Фотограф Анастасия Максименко, пресс-служба МФТИ
8 ноября в МФТИ был проведён эксперимент, в котором команда учёных из университетов МФТИ и МИСиС реализовала четырёхкубитный квантовый процессор. Для демонстрации использовалась разработанная и изготовленная сотрудниками лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ сверхпроводниковая интегральная квантовая микросхема.
«Нам удалось показать высокоэффективные квантовые операции на системе четырёх кубитов, что является уникальным достижением для российских квантовых технологий. В проведённом эксперименте время отдельной логической операции составляет около 0,025 мкс. Это позволяет реализовать более 3200 операций за время жизни квантового состояния процессора. При изготовлении квантовой интегральной микросхемы технологами из МФТИ были отработаны важные особенности технологического процесса, что позволило нам существенно улучшить ключевые характеристики кубитов», — рассказал заведующий лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ Олег Астафьев.
Фотография КИМС с оптического микроскопа (в ложном цвете). Микросхема реализует пять кубитов (ёмкость одного из них отмечена зелёным), связанных с резонаторами (красный) для индивидуального считывания. Каждый кубит снабжен управляющей потоковой линией и антенной для осуществления однокубитных операций (синий и жёлтый соответственно)
Квантовая интегральная микросхема (КИМС) содержит пять кубитов, один из которых в этом эксперименте не использовался. В схеме использованы ёмкостно шунтированные зарядовые кубиты, которые представляют собой нелинейные колебательные LC-контуры, работающие в квантовом режиме. Они 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.
Держатель с чипом квантового процессора в центре. © Глеб Федоров
Двухкубитные операции контролируемого одним кубитом поворота другого кубита (называемые операцией CZ), необходимые для создания квантовой запутанности в схеме, показаны на парах соседних кубитов. Точность этих операций измерялась с использованием томографии квантовых процессов и с применением перекрёстного тестирования.
Реализовать калибровку операции CZ позволило дополнительно предоставленное сотрудниками лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС оборудование, а также программный код, созданный в рамках общего проекта.
Вверху результаты томографии квантовых процессов (данные в двухкубитном представлении Паули). Процесс CZ, восстановленный по экспериментальным данным (слева), сравнивается с идеальным (справа). Внизу результаты перекрёстного тестирования псевдослучайными последовательностями операций. Среднее значение точности выполнения одной двухкубитной вентильной операции CZ для всех пар кубитов составляет 97,38%.
Для обнаружения запутанности кубитов использовался широкополосный усилитель, разработанный совместно МФТИ и МИСиС.
Зависимость когерентности кубита от времени измерения. Время когерентности, вычисленное путём аппроксимации данных, составляет 8,31 мкс
Эксперимент проводился в рамках реализации дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». Ранее, в 2018–2020 году, учёные МФТИ и МИСиС демонстрировали работу двухкубитной схемы, цепочек и массивов кубитов. В 2021 году учёные МФТИ смогли впервые изготовить пятикубитный чип, а в феврале 2022 года показали работу системы в качестве квантового симулятора. Теперь же они продемонстрировали, что схема работает как полноценный квантовый процессор. Реализация подобного эксперимента подтверждает, что технологический уровень МФТИ и МИСиС достаточен для создания среднемасштабных квантовых устройств.
