Исследователи из России совершили прорыв в разработке квантовых компьютеров. Учёные Университета ИТМО разработали оптимальный метод обмена информацией между вычислительными модулями — квантовыми битами (кубитами). Современные квантовые процессоры уже содержат сотни и тысячи таких элементов, что делает управление ими ключевым вызовом для создания революционных вычислительных систем. Эксперты уверены, что это открытие ускорит развитие квантовых технологий и их внедрение в практическую сферу.
Ключевая задача квантовых вычисленийСовместная группа учёных ИТМО и Лондонского института математических наук преодолела одно из главных препятствий на пути к созданию работоспособного квантового компьютера. В передовых разработках количество кубитов — квантовых аналогов классических битов — постоянно растёт, достигнув в некоторых экспериментах более тысячи. Это создаёт сложности в управлении такими системами. Российские исследователи предложили метод максимально быстрой передачи квантовых состояний между элементами.
— Главная ценность нашей работы не только в решении проблемы переноса состояний между кубитами, но и в создании универсального подхода для масштабных квантовых систем. Это открывает перспективы для разработки новых алгоритмов, ускоренной подготовки квантовых состояний и расширения функциональности существующих платформ, — отметил Максим Горлач, ведущий научный сотрудник ИТМО.
Современные квантовые процессоры насчитывают десятки и сотни кубитов, а их количество продолжает расти. Например, Google планирует вскоре создать систему с тысячей кубитов, а IBM уже представила процессор Condor на 1121 кубит. Однако простое увеличение числа элементов недостаточно — критически важно обеспечить точное управление системой, включая передачу квантовых состояний между её частями. Медленная передача приводит к разрушению состояний, поэтому требования к скорости и надёжности крайне высоки.
Фото: ИТМО Художественная визуализация передачи состояния в цепочке из десяти кубитовВ настоящее время для передачи возбуждения между кубитами используют два основных подхода. Первый предполагает последовательное включение связей между соседними элементами с ожиданием перехода состояния. Второй метод основан на постоянных связях с подобранными параметрами, позволяя состоянию самостоятельно распространяться по системе. Оба варианта оказываются недостаточно быстрыми.
В качестве альтернативы исследователи применили метод «квантовой брахистохроны», аналогичный классической задаче о поиске оптимальной траектории движения между двумя точками.
— Представьте множество возможных путей между точками A и B. Мы анализируем каждый из них, пока не находим самый быстрый маршрут для передачи квантового состояния, — поясняет Ксения Чернова, магистрантка ИТМО.
Учёные предложили не просто включать и выключать связи, а плавно изменять их интенсивность во времени. На начальном этапе максимально активируется связь между первыми кубитами, которая постепенно ослабевает, передавая «эстафету» следующим элементам. Это обеспечивает точную передачу состояния от начала до конца цепочки.
Кроме того, физики разработали универсальную методику расчёта минимального времени передачи для систем с произвольным числом кубитов. В статье представлены результаты для цепочки из ста элементов — ранее подобные расчёты выполнялись только для небольших систем.
Перспективы внедренияМетод ИТМО продемонстрировал рекордную скорость передачи с практически идеальной точностью. Как сообщил «Известиям» Глеб Федоров из МФТИ, новый подход на 40% эффективнее существующих аналогов.
— Эта технология масштабируется для систем более чем из 100 кубитов, что особенно важно для моделирования молекул и материалов, где требуются длинные цепочки операций, — отметил он.
Новый протокол сокращает количество операций, уменьшает ошибки и позволяет моделировать сложные системы в условиях ограниченного времени работы квантовых устройств. Это значительный шаг к созданию практичных и масштабируемых квантовых компьютеров.
— Коллеги решили важную проблему управления квантовыми состояниями, что крайне актуально для квантовых вычислений. Их работа показывает оптимальный способ передачи состояний через цепочку кубитов, — прокомментировал Алексей Федоров из Российского квантового центра.
Сергей Гунин из МФТИ добавил, что предложенное решение можно реализовать на реальных квантовых процессорах со сверхпроводящими кубитами, а основные выводы исследования могут повлиять на архитектуру будущих систем.
Исследование выполнено при поддержке программы «Приоритет-2030» и гранта Российского научного фонда.