Важно заметить, что измерения в теории и измерения в эксперименте отличаются по своей природе. Дело в том, что существующие квантовые схемы еще не избавились от шумов, поэтому измерять их можно только статистически — проводить много измерений, собирать их статистику и основываясь на ней делать какие-то выводы.

Ученые из Google Quantum AI предложили новый подход к схемам измерения на своих сверхпроводниковых вычислителях. Они предложили поменять местами пространственные и временные координаты квантовой схемы, для того, чтобы проводить измерения только в конце одного прохода схемы. Такой подход позволил им приготавливать многокубитные запутанные состояния и реализовать протокол телепортации на схеме в 70 кубитов.

Любая квантовая схема вне зависимости от ее конечного применения обычно состоит из двух видов операций — унитарные операции (именно их математически корректно использовать для описания того как меняется квантовая система) и проективные измерения. Первые обычно изменяют состояние, преобразовывают его, а вторые как раз помогают зарегистрировать результат. Для коррекции ошибок или других применений бывает удобно делать измерения посреди процесса вычисления. Если для платформ на нейтральных атомах это оказывается удобно и быстро, то в случае сверхпроводников длительность измерений не позволяет реализовать большое число операций за один проход. Поэтому авторы предложили альтернативу измерению внутри квантовой схемы, взяв за основу «двойственность пространства и времени».

Чтобы проверить жизнеспособность предложенного метода, физики использовали преобразованную схему для генерации запутанных состояний и ввели меру запутанности — энтропию Реньи. Их схема сформирована из двухкубитных операций fSim, которые в свою очередь состоят из операции переброса SWAP (меняет кубиты местами) и операции, меняющей фазу. Авторы поэкспериментировали с параметрами этих вентилей (то же самое, что операция) и увидели, что их схема позволяет приготавливать разные по характеру запутанности типы состояний. Возможность измерять состояние только на последнем временном этапе схемы накладывает ограничения на ее длину и число измерений: чем длиннее цепочка с преобразованиями (глубина цепи) и чем больше измерений нужно провести, тем больше времени это займет. Фиксируя один параметр — в данном случае число измеряемых на выходе кубитов — можно следить за тем как будет зависеть степень запутанности от другого — глубины цепи. Для 19-кубитой схемы, в которой 12 кубитов измерялось на выходе, а оставшиеся 7 формировали запутанное состояние, физики обнаружили фазовый переход степени запутанности при глубине порядка 4.

Кроме этого, на схеме из 70 кубитов для разного числа измеряемых кубитов ученые протестировали возможность и качество квантовой телепортации. В стандартном протоколе телепортации для восстановления телепортированного состояния применяют корректирующую операцию, которая зависит от результата измерения (чтобы получить такое же состояние, которое задетектировали). В авторском протоколе декодирования тоже есть корректирующие операции, которые ограничены классическим переворотом битов, а точность телепортации описывается величиной, зависящей от энтропии Реньи. Физики говорят, что масштабируемость телепортации для большего числа кубитов остается открытой проблемой.

Генерация квантовых состояний на сверхпроводниковых кубитах: ключевые игроки в России и мире

Квантовые технологии стремительно развиваются, и одной из их центральных задач является генерация и управление квантовыми состояниями — основой для квантовых вычислений, связи и сенсорики. Среди различных физических реализаций кубитов особое место занимают сверхпроводниковые кубиты, поскольку они позволяют использовать технологии, близкие к классической микроэлектронике, и масштабировать квантовые процессоры.

В этой статье — обзор ведущих научных центров и компаний, которые занимаются генерацией квантовых состояний с использованием сверхпроводниковых кубитов, как в России, так и за её пределами.

Мировые лидеры в области сверхпроводниковых квантовых технологий

1. Google Quantum AI (США)

Лаборатория Google, расположенная в Маунтин-Вью, является одной из самых заметных в мире. В 2019 году команда Google заявила о достижении квантового превосходства с чипом Sycamore на 53 сверхпроводниковых кубитах.
Google активно разрабатывает методы генерации запутанных состояний, состояний суперпозиции и ошибочно-устойчивых кодов (например, surface code). Их платформа основана на трансмонных кубитах, охлаждаемых до температур в милликельвины.

2. IBM Quantum (США)

IBM — один из пионеров в коммерциализации квантовых вычислений. Их процессоры, такие как Eagle, Osprey и Condor, содержат сотни сверхпроводниковых кубитов. IBM уделяет большое внимание генерации многокубитных состояний, включая Гринбергера–Хорна–Цейлингера (GHZ) и В-состояния (W-states).
Доступ к их квантовым процессорам предоставляется через IBM Quantum Experience — облачную платформу для исследователей по всему миру.

3. Rigetti Computing (США)

Компания специализируется на разработке сверхпроводниковых квантовых чипов и программного обеспечения. Rigetti активно исследует генерацию состояний с низким уровнем шума, а также гибридные квантово-классические алгоритмы. Их процессоры используются в научных лабораториях и университетах.

4. Quantinuum (США/Великобритания)

Хотя Quantinuum больше известна своими ионными ловушками, она также сотрудничает с группами, работающими со сверхпроводниками. Однако основной вклад в сверхпроводниковые технологии вносит её партнёр — ColdQuanta (ныне Infleqtion), которая разрабатывает криогенные системы и компоненты для квантовых процессоров.

5. D-Wave Systems (Канада)

D-Wave фокусируется на квантовом отжиге, но её архитектура также основана на сверхпроводниковых элементах (небольшие токовые петли). Хотя их подход отличается от универсальных квантовых вычислений, D-Wave генерирует сложные квантовые состояния в процессе оптимизации.

6. Alibaba Quantum Lab (Китай)

Китай активно инвестирует в квантовые технологии. Лаборатория Alibaba разработала собственные сверхпроводниковые процессоры, такие как Zuchongzhi, и продемонстрировала генерацию многокубитных запутанных состояний. В 2021 году они также заявили о достижении квантового превосходства.

Российские разработки в области сверхпроводниковых кубитов

Россия активно развивает квантовые технологии, хотя пока отстаёт от лидеров в масштабах. Тем не менее, в стране есть сильные научные группы, работающие над генерацией квантовых состояний на сверхпроводниковых платформах.

1. НИЦ «Курчатовский институт» — НБИКС-центр

Центр является одним из ключевых игроков в российской квантовой экосистеме. Здесь разрабатываются трансмонные кубиты, резонаторы и методы микроволнового управления. Учёные генерируют однокубитные суперпозиции и двухкубитную запутанность, а также исследуют декогеренцию и ошибки считывания.

2. Российский квантовый центр (РКЦ)

Основан в 2010 году, РКЦ объединяет усилия учёных из МГУ, МИФИ, Сколтеха и других вузов. Здесь проводятся эксперименты по генерации и контролю квантовых состояний, включая состояния Шрёдингера-кота (cat states) в микроволновых резонаторах, связанных с кубитами.
Особое внимание уделяется длинным временам когерентности и новым типам кубитов, например, флаксонным и фазовым.

3. Сколковский институт науки и технологий (Сколтех)

Группа профессора Алексея Устинова — одна из самых известных в России. Она работает с сверхпроводниковыми кубитами и квантовыми симуляторами. Учёные генерируют многокубитные запутанные состояния, исследуют квантовые фазовые переходы и разрабатывают методы квантовой томографии.
Сколтех активно сотрудничает с международными лабораториями, включая Karlsruhe Institute of Technology (Германия).

4. МИФИ (Национальный исследовательский ядерный университет)

В МИФИ ведутся теоретические и экспериментальные исследования по квантовым схемам, генерации состояний Белла и квантовой коррекции ошибок. Созданы лаборатории с криостатами и измерительным оборудованием для работы с кубитами.

5. МФТИ (Физтех)

Лаборатории Физтеха, в частности, в Долгопрудном и Жуковском, занимаются квантовой оптикой в микроволновом диапазоне, связью между кубитами и резонаторами, а также генерацией нетривиальных квантовых состояний, таких как состояния Фока и сжатые состояния.

Технологические вызовы и перспективы

Генерация квантовых состояний на сверхпроводниковых кубитах сталкивается с рядом проблем:

• Декогеренция — потеря квантовых свойств из-за взаимодействия с окружением.
• Ошибки управления — неточность импульсов, приводящая к искажению состояний.
• Шум считывания — трудности при измерении состояния без его разрушения.
• Масштабирование — увеличение числа кубитов без потери качества.

Решение этих задач требует совместной работы физиков, инженеров и программистов. В России в 2021 году был запущен Национальный квантовый проект с бюджетом более 50 млрд рублей, что должно ускорить развитие отрасли.

Заключение

Сверхпроводниковые кубиты сегодня — один из самых перспективных путей к построению универсального квантового компьютера. В мире лидерами остаются США, Китай и Европа, но Россия активно входит в эту гонку. НИЦ «Курчатовский институт», Сколтех, РКЦ и МИФИ — ключевые центры, где генерируются и исследуются квантовые состояния, необходимые для будущих технологий.

Будущее квантовых вычислений уже начинается — и оно, скорее всего, будет сверхпроводящим.

Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/