Разделы

Цифровизация Инфраструктура Электроника Импортонезависимость Техника

Ученые из России запатентовали новую архитектуру квантового процессора

Ученые из Российского квантового центра запатентовали новую архитектуру квантового процессора на основе кудитов. Она позволит увеличить мощность квантового компьютера на ионах, который был разработан в конце 2021 г. Аналогичные разработки есть только у трех государств: США, Китая и Австрии.

Компьютер на основе кудитов

Группа ученых из Российского квантового центра получила патент на реализацию квантового компьютера на основе кудитов. Это квантовые системы, которые могут находиться одновременно в более чем двух состояниях, сообщил CNews соавтор патента, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» в РКЦ Алексей Федоров. Действие патента распространяется на территорию России до конца 2040 г. Исследователи также собираются подать заявку на международную регистрацию.

Уникальность архитектуры в том в ней используются кудиты. Наиболее же распространенная модель вычисления квантовых компьютеров базируется на кубитах — это квантовые аналоги битов информации, которые помимо состояния 0 или 1, принимают всевозможные суперпозиции.

«Однако квантовые системы, в которых мы используем для вычисления атомы, ионы, частицы света, фотоны, позволяют нам кодировать информацию в гораздо большем количестве состояний, — объясняет Алексей Федоров. — В этом состоит идея кудитов — многоуровневых квантовых систем, в которых 3-4 уровня и так далее. Мы придумали архитектуру квантового процессора, которая позволяет оптимально задействовать дополнительные уровни, чтобы имплементировать какой-либо квантовый алгоритм».

fedorov600.jpg
Руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» в РКЦ Алексей Федоров

Так, ученые разработали два основных принципа использования дополнительных уровней в архитектуре. В первом случае они берут кудит с четырьмя уровнями и декомпозируют его на несколько виртуальных, содержащихся в нем, кубитов. Например, четырехуровневая система может быть декомпозирована на две двухуровневые системы, то есть один четырехуровневый кудит эквивалентен двум двухуровневым кубитам.

Во втором случае ученые используют дополнительные уровни кудита в качестве промежуточных уровней для хранения информации. Они необходимы в ходе квантовых вычислений как буферы для хранения информации, нужной для вычислений. Буфером становятся не отдельно стоящие кубиты, а дополнительные уровни внутри одного кудита. Иными словами, нашлось решение для оптимальной комбинации этих уровней.

Что это дает

Теперь ученые смогут более плотно кодировать информацию в физических носителях и реализовывать более сложные квантовые алгоритмы. То есть мощность процессора квантового компьютера возрастет, операции будут производиться быстрее.

«Это шаг к дальнейшему масштабированию квантовых компьютеров, шаг к их практическому применению», — подчеркнул Алексей Федоров.

Напомним, квантовые компьютеры — это инновационный класс вычислительных устройств, которые благодаря использованию квантовых эффектов могут решать задачи, которые под силу даже самым мощным «классическим» суперкомпьютерам. Например, они могут моделировать поведение сложных молекул для разработки новых лекарственных препаратов и материалов, решать сложные логистические задачи и работать с большими данными в самых разных сферах.

Новая архитектура уже опробована — ученые из Российского квантового центра и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН в конце 2021 г. разработали прототип квантового процессора, который работает на кудитах. На его основе к концу 2024 г. собираются построить универсальный квантовый компьютер с облачным доступом. До 2024 г. на его создание «Росатом» планирует выделить более 23 млрд руб.

Где еще разрабатывают квантовые компьютеры

В мире только три страны разработали аналогичные процессоры на кудитах: США, Китай и Австрия.

Так, над развитием кудитных квантовых процессоров работает американская Riggeti Computing, используя кудиты на сверхпроводниках. Ученые из Пекинского университета используют их на фотонах, австрийский стартап AQT — на ионах, как и российские ученые. Объем мирового рынка квантовых процессоров этого типа к 2024 г. составит $150 млн.

Квантовая дорожная карта

Напомним, дорожная карта развития квантовых технологий в России была сформирована летом 2020 г. Всего на разработки в этой области в 2020-2024 гг. выделят 23,66 млрд руб., из которых 13,35 млрд руб. — из федерального бюджета. Наиболее дорогостоящей частью стала разработка квантовых процессоров нескольких типов – на нее выделили 18,6 млрд руб.

Что касается квантового процессора на основе ионов в ловушках — на него потратить планируют 4,29 млрд руб.

Ожидается, что к 2030 г. в России такими темпами должен появиться как минимум один стартап-«единорог» в области квантовых вычислений с капитализацией более $1 млрд.

Анжела Патракова