В МФТИ создана первая в России работоспособная интегральная схема на основе пяти сверхпроводниковых кубитов.

Над созданием универсального квантового компьютера, способного решать любую задачу по соответствующему алгоритму, работают ведущие мировые научные центры. В лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ впервые в России создана квантовая интегральная схема на основе пяти сверхпроводниковых кубитов, которую можно считать прототипом квантового процессора. Подобных многокубитных квантовых схем в мире пока совсем немного. Без сомнения – это важный шаг на пути создания полномасштабных универсальных квантовых процессоров.

Интегральная схема изготовлена на технологической базе Центра коллективного пользования (ЦКП) московского Физтеха. Первые измерения показали, что все элементы схемы работают с ожидаемыми параметрами. Надо сказать, что после получения в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ первого российского кубита в 2015 году исследователи много трудились над улучшением технологии изготовления сверхпроводящих квантовых структур с различной архитектурой. В результате в настоящий момент МФТИ имеет достаточно надежную технологию для создания многокубитных вычислительных устройств и обладает уникальной возможностью самостоятельно разрабатывать, изготавливать и тестировать квантовые устройства.

Созданная интегральная квантовая схема, в отличие от ранее разработанных в России прототипов, позволяет полностью контролировать состояние всех пяти кубитов. Подобные схемы необходимы для создания в будущем универсального квантового компьютера.
Такое большое достижение стало возможным благодаря успехам, достигнутым в разработке сразу нескольких ключевых технологий. Во-первых, исследователям удалось существенно улучшить геометрические и электрические параметры туннельных контактов. Эти контакты – «сердце» сверхпроводящих кубитов, от качества их изготовления зависит работоспособность всей квантовой схемы.

Во-вторых, была отлажена технология изготовления микроволновых резонаторов высокой добротности – устройств, способных в течение долгого времени поддерживать колебания с малыми потерями. Они служат для контроля квантового состояния кубитов. И третьим фактором стала отладка процесса изготовления так называемых эйр-бриджей («навесных мостиков»), которые позволяют подавить паразитные резонансные колебания и тем самым повысить работоспособность устройств.
Разработанная схема уже сейчас может быть использована в исследованиях по квантовому машинному обучению — области науки на пересечении квантовой физики и обработки данных на основе искусственных нейронных сетей. Квантовые системы способны ускорять вычисления и сокращать количество параметров нейросети. Благодаря этому квантовые нейросети более эффективны и позволяют описать задачу меньшим числом параметров.
Это также поможет в исследовании подходов к созданию квантовых симуляторов, служащих для контролируемой имитации поведения естественных систем, не поддающихся классическим расчетам. Есть основания полагать, что именно квантовые симуляторы для машинного обучения позволят достаточно быстро коммерциализировать технологию и приблизят момент появления универсальных устройств.

Полученные результаты говорят о том, что исследователи МФТИ могут выполнить все работы, необходимые для создания элементов квантовых процессоров, от технологических чертежей до интегральной квантовой схемы на чипе и её измерений. Однако дальнейшее развитие работ по созданию управляемых элементов квантового компьютера и самого компьютера потребует модернизации «чистой зоны» ЦКП и дополнительного оснащения лаборатории современным исследовательским оборудованием.