«Медленно собираются, зато стремительно движутся» — это выражение, будь то крылатая фраза или народная мудрость, точно отражает процесс создания квантовых платформ в России. Их сложно масштабировать, что заставляет тщательно прорабатывать фундамент, прежде чем переходить к построению прикладных решений. И здесь особые надежды возлагаются на многоуровневые кубиты — кудиты (qudit). Передовые достижения в этой области смог продемонстрировать Российский квантовый центр, представив квантовую вычислительную систему на основе семиуровневых кусептов.
Источник изображения: Российский квантовый центр
В последние годы российские исследователи совершили значительный рывок в области квантовых вычислений, и запуск первого отечественного ионного квантового компьютера на кусептах — семиуровневых квантовых ячейках — можно считать вершиной этих усилий. Данный метод даёт возможность нарастить вычислительную мощность системы без механического увеличения количества кубитов (хотя эта кажущаяся линейность обманчива). Многоуровневые квантовые состояния, созданные специалистами Российского квантового центра на платформе из 26 ионов кальция, обеспечивают производительность, эквивалентную 72 кубитам, а также показывают рекордную для устройств такого класса точность выполнения базовых операций.
Традиционный путь масштабирования квантовых систем через наращивание числа двухуровневых кубитов хорошо изучен, но он упирается в ограничения по управляемости, стабильности и физическим размерам платформы. Группа учёных под руководством Кирилла Лахманского выбрала другую стратегию: они сфокусировались на многоуровневых квантовых состояниях — так называемых кудитах и, в частности, кусептах, которые могут находиться в состояниях от 0 до 6. Такой подход увеличивает объём данных, обрабатываемых одним квантовым элементом, открывая путь к принципиально новому уровню масштабируемости и вычислительного потенциала.
Реализация этой системы стала возможной благодаря комплексному преодолению инженерных и научных вызовов: созданию специальных лазерных установок, сложной оптической схемы, а также усовершенствованию систем управления и программного обеспечения. В ходе проверочных тестов новые вычислительные модули показали среднюю точность одно-кубитных операций на уровне 99,92% и двух-кубитных — 96,5%, что свидетельствует о высоком качестве исполнения и подтверждает жизнеспособность предложенной архитектуры.
Научный коллектив планирует объединить ионные ловушки с возможностью управления отдельными частицами и внедрить алгоритмы для решения прикладных задач комбинаторной оптимизации, таких как MaxCut. Следовательно, этот новый квантовый вычислитель является не просто достижением фундаментальной науки, но и технологической базой для обработки сложных практических проблем в сферах логистики, моделирования и оптимизации, хотя точные сроки их реализации пока остаются неопределёнными. Во всяком случае, многоуровневые состояния открывают перспективы для наращивания мощности, в отличие от классических двухуровневых систем, которые сталкиваются с очевидными ограничениями в этом отношении.
Стоит отметить, что 72-кубитная платформа на ионах кальция стала уже третьей разработкой, представленной российскими исследователями в этой перспективной вычислительной области за последнее время. Ранее были продемонстрированы 70-кубитная система на ионах иттербия от команды Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), а также 72-кубитная платформа на холодных атомах рубидия, созданная в МГУ.
