Специалисты ИТМО вместе с коллегами из Лондонского института математических наук решили одну из важнейших проблем на пути создания квантового компьютера. Сейчас в наиболее продвинутых моделях таких вычислительных машин для расчетов используется всё большее число кубитов («квантовых битов») — простейших единиц информации, — аналогов обычного бита в электронных компьютерах. В некоторых разработках их более тысячи, поэтому управление этими элементами превращается в непростую задачу. Российские физики нашли способ, как передавать между кубитами закодированные в квантовых состояниях данные с максимально возможной скоростью.
— Важность этой работы не столько в решении конкретной задачи про перенос состояния в массиве кубитов, сколько в разработке нового метода, пригодного для больших квантовых систем. Это позволит находить более эффективные квантовые алгоритмы, быстрее приготавливать квантовые состояния и в целом расширит возможности современных квантовых систем, — сказал ведущий научный сотрудник ИТМО Максим Горлач.
Квантовые процессоры уже сегодня состоят из десятков и даже сотен кубитов, и их число будет только увеличиваться — так, в ближайшем будущем разработчики Google планируют достичь отметки в тысячу единиц информации, а IBM уже представила систему Condor, состоящую из 1121 кубита. Однако просто объединить много элементов недостаточно, необходимо также тонко управлять системой — например, чтобы передать квантовое возбуждение от одного конца системы к другому. Если такая передача будет слишком медленной, квантовое состояние может разрушиться по пути. Поэтому для платформ с большим числом элементов требования к скорости и достоверности передачи очень высоки.
Художественное представление передачи состояния по цепочке из десяти кубитов. Источник: A. Stepanenko, K. Chernova, M. Gorlach / Physical Review Letters, 2025
Сейчас, чтобы передать возбуждение в цепочке кубитов, в основном прибегают к двум способам. Первый — поэтапный: включить связь между соседними элементами, дождаться, пока состояние перетечет с одного кубита на другой, и затем включить следующую связь. Либо можно сделать все связи не зависящими от времени и подобрать их величину. Тогда состояние само пройдет по цепочке. Однако оба этих метода слишком медленны.
Вместо этого ученые применили метод под названием «квантовая брахистохрона»: идея схожа с классической физической задачей о самом быстром пути, по которому скатывается шарик между двумя точками.
— Представьте, что у вас есть множество возможных траекторий между точками A и B. Мы перебираем их все, пока не обнаружим ту, по которой квантовое состояние дойдет до цели быстрее всего, — говорит магистрантка Университета ИТМО Ксения Чернова.
Ученые предлагают не просто включать или выключать связи, как это делают сейчас, а изменять их величину плавно во времени. По задумке авторов, на старте сильнее всего включается связь между первыми двумя кубитами, затем она постепенно ослабевает, пока более дальние связи «набирают силу». В результате состояние в точности переносится из первого кубита цепочки в последний.
Физики также предложили общий способ рассчитать минимальное время передачи состояния для системы с любым числом кубитов. В статье ученые представили вычисления для цепочки из сотни элементов — раньше подобные задачи удавалось решить только для маленьких систем из нескольких элементов.
Предложенный специалистами ИТМО метод достиг рекордной скорости с сохранением практически идеальной точности передачи состояния. Реализованный подход оказался примерно на 40% быстрее методов, известных на сегодняшний день, пояснил «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории Искусственных квантовых систем МФТИ Глеб Федоров.
— Подход эффективно масштабируется, позволяя работать с системами из более чем 100 кубитов. Можно назвать это прорывом с точки зрения моделирования молекул и материалов, где нужны длинные цепочек операций между ближайшими соседями, — сказал он.
Новый протокол минимизирует количество логических операций, снижает уровень ошибок и делает возможной симуляцию более крупных систем в пределах ограниченного времени в современных квантовых устройствах. Это очередной шаг к масштабируемым и практичным квантовым вычислениям, подчеркнул эксперт.
— Работа коллег решает задачу управления переносом квантовых состояний, что актуально для задач квантовых вычислений. Она показывает, как передать квантовое состояние по цепочке кубитов оптимальным образом, — считает руководитель научной группы Российского квантового центра Алексей Федоров.
По словам научного сотрудника лаборатории Искусственных квантовых систем МФТИ Сергея Гунина, предложенное авторами решение можно реализовать на реальных квантовых процессорах с использованием сверхпроводниковых кубитов с переменными связями в качестве вычислительной платформы. А основные результаты исследования могут найти отражение в новых архитектурах таких процессоров.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в журнале Physical Review Letters (прим. - Пресс-служба РНФ).
