Российские ученые доказали эффективность трехуровневых квантовых систем – кутритов
Ученые Университета МИСИС, Российского квантового центра, ФИАН им. Лебедева и МФТИ продемонстрировали работоспособность трехуровневых квантовых систем – кутритов сразу на двух типах отечественных квантовых процессоров — сверхпроводниковом и ионном.
С помощью кутритов исследователи смоделировали неравновесный фазовый переход нарушения симметрии чётности и времени. Такая симметрия нарушается, если изолированная физическая система начинает взаимодействовать с окружающим миром, теряя при этом часть своей энергии.
Принято считать, что элементарной ячейкой квантовой информации является квантовый бит (кубит) – двухуровневая квантовая система, способная находится как в состояниях 0 или 1, так и одновременно в их суперпозиции. Однако возможности многих физических систем заметно шире, и количество уровней в базовой квантовой ячейке может быть больше двух. Использование этих дополнительных уровней дает прирост производительности квантового процессора при том же количестве элементарных ячеек.
Работа российских ученых содержит в себе сразу несколько уникальных достижений.
Во-первых, был выполнен алгоритм, позволивший промоделировать различные режимы затухающих колебаний некоторой абстрактной квантовой системы на квантовом процессоре. Подобная концепция уже была предложена научной группой хельсинского университета Аалто, однако, в отличие от финских коллег, нашим ученым для реализации идеи потребовался всего лишь один кутрит вместо двух полноценных кубитов, что является более экономичным решением с точки зрения ресурсов квантового процессора.
Во-вторых, представленный алгоритм был успешно выполнен сразу на двух различных квантовых платформах: в ФИАН на ионах в ловушке , а в НИТУ МИСИС на сверхпроводниковом 8-кубитном процессоре.
«Для меня этот результат представляется важным прежде всего потому, что одновременно, фактически в параллельном режиме, квантовые алгоритмы были запущены на двух совершенно разных физических платформах – сверхпроводящей и ионной – в двух ведущих российских исследовательских центрах. Идентичность результатов указывает на высокую достоверность и воспроизводимость расчетов на разных аппаратных средствах и, конечно, на справедливость квантовых постулатов. И, конечно, тот факт, что мы впервые использовали ионные и сверхпроводящие кутриты также выделяет данное исследование: в мире насчитывается всего несколько групп, которые овладели этим методом.», — сообщил директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Николай Колачевский.
«Для нас это исследование крайне важно, чтобы продемонстрировать потенциал квантовых вычислений в изучении фундаментальных физических явлений, таких как фазовые переходы. Реализация данного эксперимента потребовала развития экспериментальных методов контроля многоуровневыми квантовыми системами, что было успешно продемонстрировано для двух разных физических платформ», — отметил директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС Алексей Фёдоров.
«Исследование дополнительного уровня на сверхпроводниковых кубитах представляет для нас больший интерес. Проделанная работа является важным шагом на пути к реализации защищенных логических кубитов с использованием кодов коррекции квантовых ошибок, так как именно утечка квантовой информации на этот уровень считается наиболее трудно исправляемой ошибкой, — сообщила первый автор работы, сотрудник РКЦ и лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС Алёна Казьмина.— Кроме того, дополнительный уровень дает новые возможности с точки зрения выполнения квантовых алгоритмов здесь и сейчас. Например, его можно использовать для эффективной декомпозиции сложных квантовых операций таких как вентиль Тоффоли. Наконец, отдельного внимания заслуживают в принципе исследования, связанные с квантовой тернарной логикой, поскольку она позволяет при практических тех же физических ресурсах оперировать логическим пространством большой размерности».
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. (Q1). Работа поддержана госкорпорацией «Росатом» в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Исследование выполнено консорциумом «Квантовый интернет», созданным в стратегическом проекте НИТУ МИСИС по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».
«Сегодня в Университете МИСИС представлены все направления в области квантовых технологий – разработка квантовых процессоров, алгоритмы квантовых вычислений, а также квантовые коммуникации и сенсоры. Наш вуз – активный участник реализации дорожных карт «Квантовые технологии» и «Квантовые коммуникации». Над проектами работают ведущие исследователи мирового уровня, среди них – д.ф.-м.н. Алексей Устинов, д.ф.-м.н. Григорий Гольцман, д.ф.-м.н. Валерий Рязанов, PhD по теоретической физике Алексей Федоров. По программе «Приоритет 2030» мы сформировали и реализуем стратегический проект «Квантовый интернет», логичным продолжением которого стало создание осенью 2023 года Института физики и квантовой инженерии в структуре вуза. Всё это позволит обеспечить университету одну из лидирующих позиций в квантовой гонке», – прокомментировала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
В дальнейшем ученые планируют продолжить разработку квантовых алгоритмов на кутритах и, в частности, исследовать методы коррекции квантовых ошибок, затрагивающие дополнительные уровни.
Об университете
Университет науки и технологий МИСИС – ведущий вуз страны в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. Опираясь на вековые традиции признанных в России и мире научных школ, современные образовательные технологии, университет ставит перед собой задачу внести максимальный вклад в развитие экономики за счет прорывных разработок и качественной подготовки специалистов. В научно-исследовательской деятельности Университет МИСИС концентрируется на таких приоритетных направлениях, как металлургия, горное дело, материаловедение, квантовые технологии, биоматериалы и биоинженерия, альтернативная энергетика, аддитивные и информационные технологии.
В вузе действует 45 научно-исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. В состав университета входит 7 институтов и 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В вузе более 23 000 обучающихся, 25% студентов – граждане 86 стран. Университет МИСИС сотрудничает с 1600 крупнейшими компаниями России и мира – лидерами в своих отраслях.
