Ученые Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСИС совместно с коллегами из МФТИ смогли впервые в России реализовать четырехкубитный квантовый процессор и продемонстрировать на нем точности двухкубитных операций CZ более 97%. В эксперименте использовалась разработанная и изготовленная сотрудниками Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ сверхпроводниковая интегральная квантовая микросхема.
Сверхпроводниковые кубиты являются эффективными и перспективными квантовыми объектами для разработки и реализации квантовых компьютеров. На данный момент самыми коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами являются трансмоны, которые активно используются в квантовых исследованиях ведущих мировых лабораторий на протяжении последних десяти лет. Ученые лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Университета МИСИС также активно занимаются исследованием и разработкой процессоров на сверхпроводниковых кубитах.
В настоящем исследовании для проведения операций с трансмонами ученые МФТИ разработали квантовую интегральную микросхему (КИМС), которая содержит пять емкостно шунтированных зарядовых кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Кубиты электрически связаны друг с другом и могут как обмениваться энергией, так и управляемо изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний |0⟩ и |1⟩.
Первый тип взаимодействия используется в экспериментах по квантовому машинному обучению, а второй удобен для реализации операции CZ — двухкубитной операции контролируемого одним кубитом поворота другого кубита, необходимой для создания квантовой запутанности в схеме. На основании этой операции можно построить различные квантовые алгоритмы.
Для реализации неразрушающего считывания кубитов посредством индивидуальных микроволновых резонаторов исследователи использовали широкополосный джозефсоновский параметрический усилитель, совместно разработанный учеными МФТИ и МИСИС.
Эксперимент был проведен в МФТИ 8 ноября. Реализовать калиброванную операцию CZ с точностью более 97% позволили оборудование, предоставленное учеными Университета науки и технологий МИСИС, и программный код, разработанный ими ранее для демонстрации двухкубитных операций на регистре из двух сверхпроводниковых флаксониевых кубитов.
«Учеными Университета МИСИС впервые в России были экспериментально реализованы алгоритмы перекрестно-энтропийного тестирования и квантовой томографии процесса, которые теперь позволяют проводить оценки точности в принципе любых одно- и двухкубитных вентильных операций на системах сверхпроводниковых кубитов», — отметил научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС Илья Москаленко.
«Нам удалось показать высокоэффективные квантовые операции на системе
4-х кубитов, что является уникальным достижением для российских квантовых технологий. В проведенном эксперименте время отдельной логической операции составляет около 0.025 мкс. Это позволяет реализовать более 3200 операций за время жизни квантового состояния процессора. При изготовлении квантовой интегральной микросхемы технологами из МФТИ были отработаны важные особенности технологического процесса, что позволило нам существенно улучшить ключевые характеристики кубитов», — рассказал заведующий Лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ Олег Астафьев.
Демонстрация подобного эксперимента показывает, что уровень развития технологии и экспериментальной базы, достигнутый при сотрудничестве ученых МФТИ и МИСИС достаточен для реализации среднемасштабных квантовых устройств без коррекции ошибок. Следующим этапом совместного проекта станет разработка и испытания
Рис. 1. Фотография КИМС с оптического микроскопа (в ложном цвете). Микросхема реализует 5 кубитов (емкость одного из них отмечена зеленым), связанных с резонаторами (красный) для индивидуального считывания. Каждый кубит снабжен управляющей потоковой линией и антенной для осуществления однокубитных операций (синий и желтый, соответственно).
Рис. 2. а,б) Результаты томографии квантовых процессов (данные в двухкубитном представлении Паули). Процесс CZ, восстановленный по экспериментальным данным а), сравнивается с идеальным б). в) Результаты перекрестного тестирования псевдослучайными последовательностями операций. Среднее значение точности выполнения одной двухкубитной вентильной операции CZ для всех пар кубитов составляет 97.38%.
