Устранены помехи на пути к квантовому компьютеру

Российские ученые сделали большой шаг на пути к созданию квантового компьютера. Одно из серьезных препятствий при его конструировании заключается в том, что генерируемые им сигналы очень слабы. Их нелегко считать на фоне помех. Над решением этой проблемы бьются специалисты многих стран. Сотрудникам лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» удалось создать усилитель с предельно малым уровнем шума — на уровне теоретически возможного минимума.

Над созданием квантового компьютера трудятся ученые всего мира. Предполагается, что эта «машина будущего» сможет быстро решать задачи, над которыми обычным компьютерам пришлось бы работать столетиями. Например, с его помощью можно попытаться взломать самые современные системы шифрования, рассортировать данные со всех компьютеров планеты или выдать абсолютно точный прогноз погоды хотя бы на пару дней вперед. Одна из главных сложностей при конструировании квантового компьютера — считывание информации о состоянии квантового бита (кубита).

В обычных полупроводниковых вычислительных машинах каждый бит информации может принимать одно из двух значений — 0 или 1. Кубит одновременно содержит оба этих состояния и может одновременно их обрабатывать. К сожалению, считываемый при этом сигнал очень слаб, его необходимо усиливать, но используемые для этого устройства создают помехи. Создание усилителя с минимальным уровнем шума стало одной из ключевых задач при построении квантового компьютера. Несколько ведущих лабораторий мира уже предложили свои решения — но не раскрывают подробностей этих разработок и отказываются продавать их в другие государства. Теперь и российским ученым удалось создать соответствующую технологию.

Сотрудники лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» впервые в России разработали сверхпроводящий усилитель сигнала от кубита, который создает предельно возможный минимум шумов. Профессор кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Александр Карпов пояснил «Известиям», что создать идеальный усилитель невозможно в принципе. Фоновый шум существует даже в вакууме: в нем периодически рождаются и погибают пары частица-античастица.

— Минимальный возможный уровень шума равен вакуумному. Этот уровень называют квантовым пределом. Нам удалось его достичь, заменив материал, из которого изготовлен усилитель, на сверхпроводящий, — объяснил Александр Карпов.

Как пояснили в НИТУ «МИСиС», это позволило увеличить производительность квантового компьютера при считывании информации в десятки раз.

По словам ученых, их открытие значительно сократило технологическое отставание России в этой области. Поэтому разработчики высоко оценивают коммерческий потенциал разработки. Хотя создание квантового компьютера остается вопросом фундаментальной науки, новые усилители можно будет использовать в датчиках космического излучения — например, на радиотелескопах.

Научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Андрей Вишневый считает разработку НИТУ «МИСиС» весьма перспективной.

— Разработанное коллегами устройство можно использовать для считывания состояния кубитов. Если усилитель шумный, то, чтобы выделить полезный сигнал на фоне шума, требуется приблизительно в 5–20 раз больше считываний. Описанный усилитель может использоваться в области прецезионных (очень точных. — «Известия») измерений, в частности, квантовой метрологии (измерение магнитного поля и других физических величин при помощи кубита. — «Известия»), — отметил ученый.

По мнению руководителя проектной группы Фонда перспективных исследований Максима Вакштейна, подобные технологические вопросы часто остаются за кадром и их важность недооценивают.

— Часто гововорят только о числе физических кубитов в системе, которое характеризует ее сложность и потенциальную производительность. Но за этим кроется множество инженерных и технологических задач — таких как создание малошумящего усилителя, — которые во многом и определяют потенциал масштабирования и практического внедрения квантовых компьютеров, — уверен Максим Вакштейн.

Фондом перспективных исследований (государственная организация, созданная для содействия разработкам в интересах обороны и безопасности России) утверждена дорожная карта развития технологий квантовой обработки информации в РФ. Согласно этому документу, появление универсальных квантовых компьютеров, способных решать практически важные задачи, должно произойти после 2025 года. Широкомасштабное же промышленное производство ожидается в районе 2030 года.