В НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» на университетском криостенде получили выдающийся результат в сфере квантовых вычисленийна основе сверхпроводниковых кубитов.
Инженеры и ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» ГК «Росатом» на базе совместного НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН), в кооперации с учеными ИФТТ РАН, МИСиС, МФТИ, РКЦ и НГТУ, разработали технологию создания сверхпроводниковых кубитов со «временем жизни» на уровне 50 микросекунд. Полученные результаты не уступают параметрам квантовых процессоров лучших мировых аналогов от IBM, Google, Intel. Это важнейший шаг на пути к созданию российского универсального квантового компьютера. Ключевые игроки зарождающегося рынка квантовых вычислений выбрали в качестве технологической платформы именно сверхпроводниковые кубиты. Квантовые вычислители и симуляторы стали чрезвычайно популярны в мире, так как за последние 15 лет параметры этих устройств были улучшены более, чем в 100.000 раз.
НОЦ ФМН является головным технологическим исполнителей самого крупного в России проекта Фонда перспективных исследований по квантовым вычислениям на основе сверхпроводящих кубитов. Еще буквально 2 года назад, когда технологический центр МГТУ и ВНИИА не участвовал в этих разработках, параметры подобных схем были почти в 100 раз хуже, чем те, что наши сотрудники получили 11 апреля. Ключевые параметры сверхпроводниковых кубитов, принятые в мире, – это так называемые «времена жизни», а именно – время когерентности (T1) и время дефазировки (T2) тех кубитов, которые участвуют в этих схемах. Очень часто при сравнении тех или иные сверхпроводниковых кубитов в профессиональном сообществе оперируют только одним из этих «времен жизни» – временем когерентности.
Для понимания сути разберем простой пример.
Рассмотрим классических полупроводниковый компьютер или процессор. Наши компьютеры оперируют битами, которые принимают значения нуля или единицы. Квантовый компьютер работает с квантовыми битами (кубитами), которые могут находиться в состоянии суперпозиции нуля и единицы.
Квантовый компьютер – это система из искусственных атомов, к которым пристраивают систему контроля, обеспечивающую их управляемое взаимодействие (или «перепутывание» в терминах квантовых вычислений). Несмотря на то, что в мире обсуждается большое число физических реализаций квантовых битов (искусственных атомов – кубитов), многие ключевые игроки этого зарождающегося рынка уже выбрали в качестве технологической платформы – сверхпроводниковые. Оперирование кубитами позволяет колоссальным образом распараллелить вычисления.
Рассмотрим на примере понятие «время жизни».
Представьте, что вы создали искусственный атом и инициализировали его в состоянии единицы, то есть привели его в некое управляемое значение. Для работы квантового компьютера необходимо оперировать управляемыми состояниями многих атомов, их взаимодействием между собой так, чтобы они, провзаимодействовав, дали ожидаемый результат. Из управляемого состояния единицы (или любого другого заданного значения) атом переходит в неуправляемое состояние или «разрушается» за «время жизни». Как только это время проходит, состояние атома рассыпается вследствие различных механизмов потерь, и единица превращается во что-то непонятное и неуправляемое.
В 1999 году, когда в Японии экспериментально продемонстрировали первых сверхпроводниковый кубит, время жизни составляло всего лишь несколько наносекунд, а сейчас его удалось улучшить почти в 100.000 раз. Если прежде нельзя было выполнить ни одной операции с использованием этих систем, то сейчас уже есть возможность реализовывать короткие алгоритмы.
А при переходе через порог в 100 микросекунд и при определенном количестве кубитов в схеме появится возможность корректировать прямо на схеме те ошибки, которые возникают в ходе работы схемы. И тогда человечество получит постоянно действующий универсальный квантовый компьютер.
Директор НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» Илья Родионов поделился своими соображениями о будущем квантовых компьютеров.
– Универсальному квантовому компьютеру будут под силу такие трудно решаемые задачи, как расшифровка сложнейших кодов защиты используемых в криптографии, безопасные вычисления, машинное обучение, криптография, квантовая химия, разработка новых материалов, задачи на оптимизацию, семплирование, квантовая динамика, поиск по большим объемам данных. Если появится такой компьютер, то большинство расчетных задач экспоненциальной сложности, которые сейчас считаются порядка тысячи лет, можно будет посчитать за разумное время, скажем, гарантированно менее одного дня.
Что сейчас есть в мире?
Правительства ведущих мировых держав и такие компании как IBM, Intel, Google уже вложили десятки миллиардов долларов в свои проекты по сверхпроводящим кубитам. IBM выложила свой компьютер в сеть, и любой желающий может получить к нему доступ и попробовать прогнать свой алгоритм. В январе этого года та же IBM представила на выставке компьютер размером с небольшую комнату, внутри которого находился подобный квантовый процессор. Этот компьютер не умеет решать ни одной задачи, но он дает фантастически мощный инструмент для тестирования алгоритмов. На таком компьютере времена когерентности составляют порядка 50 мкс, и мы получили те же 50 мкс.
В результате 2-х летней работы были созданы и экспериментально продемонстрированы кубиты типа 2D-трансмон. Многокубитные квантовые процессоры всех мировых IT-гигантов построены именно на базе кубитов этого типа. Сверхпроводниковые кубиты имеют неоспоримые преимущества, так как могут быть изготовлены «стандартными» методами современной наноэлектроники. А это означает простую и быструю возможность масштабирования сверхпроводниковых квантовых схем и массовый выпуск квантовых процессоров. «Стандартными» эти методы наноэлектроники являются только для узкого круга высококвалифицированных специалистов, обладающих лучшими технологическими возможностями в мире. Сегодня в НОЦ ФМН на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана создана технологическая база, позволяющая конкурировать с мировыми научными лабораториями.
Сверхпроводниковые кубиты «не терпят» любых, даже атомарных загрязнений интерфейсов и поверхностей, поэтому требуют применения сложнейших технологий изготовления. Они работают стабильно только в контролируемой среде и при температурах, ниже температур жидкого азота и даже глубокого космоса – в непосредственной близи абсолютного нуля по Кельвину. До 2016 года отставание по основным параметрам отечественных сверхпроводниковых квантовых вычислителей и симуляторов составляло более 10 лет.
Победа Университета не только в том, что команда изготовила чип, разработала комплекс конкурентоспособных технологий, включая технологию изготовления кристаллов квантовых процессоров с нанометровыми структурами кубитов, базовый модуль квантового компьютера на базе криостата растворения, специальные системы фильтрации, сложнейшее экранирование и сверхвысокочастотную электронику, не только полностью изготовила экспериментальную схему окружения, но и с нуля прошла весь процесс изготовления, после которого получила результат на уровне IBM. Созданный комплекс не имеет аналогов в России и соответствует лучшим мировым образцам. Разработанные технологии позволяют «с нуля» с применением новейших методов наноэлектроники создавать сверхпроводниковые кубиты – «транзисторы» квантовых процессоров, и квантовые многокубитные сверхпроводниковые интегральные схемы.
– В чем практическая польза создания квантового компьютера?
– Он позволит продлить жизнь человека путем создания мощных целенаправленных лекарств, создать новые материалы, обеспечить абсолютную безопасность в интернете, позволит развить и транспортную сферу, создать новые виды топлива, альтернативные источники энергии и многое многое другое, — рассказывает директор НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» Илья Родионов. — Поэтому мы занимаемся разработками с таким упорством.
– Вы смогли воспроизвести в стенах Университета технологию IT-гиганта. Что вы планируете делать дальше?
– Полученный результат мы считаем промежуточным, мы понимаем, что делать на следующем этапе. Мы планируем двигаться в сторону 100-кубитного компьютера со временами жизни кубитов более 100 микросекунд. А главная наша цель – создать универсальный квантовый компьютер, что позволит решать практические задачи, полезные для нашей страны. Мы довольно четко понимаем и представляем, что должно быть усовершенствовано и в технологии, и в эксперименте, и в измерениях, и в алгоритмах для того, чтобы прийти к практически полезному квантовому симулятору, а дальше к созданию универсального квантового компьютера.
– А студенты, работающие в НОЦ, внесли свой вклад в разработку?
– Мы не называем их студентами, все они – сотрудники, исследователи и разработчики. Конечно, над этим проектом работают ребята, начиная с третьего курса, бакалавры, магистранты, аспиранты и уже защитившиеся кандидаты. Например, аспирантка Алина Доброносова – руководитель этого проекта внутри МГТУ, Антон Иванов ведет работу по измерениям квантовых систем, он внес большой вклад в создание экспериментального комплекса. Задача состоит не только в том, чтобы правильно изготовить схему. Нужно правильно ее измерить, иначе никаких результатов не будет. Ребята просидели здесь все выходные, собирая экспериментальный криогенный стенд, который мы проектировали и изготавливали практически целый год. Этот стенд – полностью «homemade». Наши выпускники Антон Иванов и Саша Зверев с аспирантами кафедры МТ-11 Айдаром Габидуллиным, Лизой Малеванной и магистрантом кафедры ИУ-4 Володей Ечеистовым внесли огромный вклад, чтобы эта штука заработала. Наша аспирантка Настя Пищимова разработала комплекс технологий электронно-лучевой литографии для серийного изготовления наноструктур сверхпроводниковых джозефсоновских туннельных переходов этих устройств. Аспирант Миша Андронник разработал для наших квантовых схем технологию создания МЭМС структур, которые позволяют выровнять малейшие набеги фаз, перекрестные помехи и микропотенциалы в таких схемах. Дима Москалев, магистрант МТ-11, проделал колоссальную работу по созданию тонких сверхпроводящих покрытий, без которых схемы бы не работали. Под руководством нашей выпускницы Люции Ганиевой разработана технология жидкостной очистки, которая позволяет получать атомарно чистые поверхности, что является принципиально важно для квантовых процессоров. А это, между прочим, последовательность из более чем 15-ти четко выстроенных операций, то есть перекрестная оптимизация нескольких десятков технологических параметров.
Отличительной особенностью именно этого направления квантовых вычислений нашего НОЦ является ярко выраженная мультидисциплинарность и необходимость командной слаженной работы. Без любой из частей сложнейшего комплекса ничего не будет работать. Нужно отметить, что результат получен только благодаря командной работе. Сейчас над проектом работают уже больше 15 человек, и если хотя бы один из них не сделал свою работу на самом высоком уровне, а это, между прочим, мировой уровень, то такого результата мы бы никогда не получили.
Катерина Соколова
