Российские учёные представили квантовый процессор с точностью выполнения трёхкубитных операций — 99,39%. В отличие от традиционного подхода, при котором сложную операцию собирают из нескольких двухкубитных, новая разработка выполняет её с помощью одного микроволнового импульса за 65 наносекунд. Это сокращает время вычислений и количество операций, в которых могут возникать ошибки.
Вентиль CCZ (Controlled-Controlled-Z) — базовая трёхкубитная квантовая операция, которая изменяет состояние одного или нескольких кубитов. Такие гейты используют при построении квантовых алгоритмов, в том числе для поиска в неструктурированных данных и факторизации больших чисел, а также в схемах квантовой коррекции ошибок, которые помогают защищать вычисления от сбоев. При стандартном подходе CCZ-операции выполняют с помощью последовательности из восьми двухкубитных операций. Однако каждый дополнительный шаг повышает вероятность ошибки, поэтому учёные стремятся сократить число преобразований.
Для повышения точности квантовых вычислений российские исследователи из Университета МИСИС, РКЦ, ИНМЭ РАН и МФТИ разработали процессорный модуль из трёх сверхпроводниковых кубитов-флаксониумов, соединённых через общий трансмонный элемент. С помощью него учёные выполнили трёхкубитную квантовую операцию с рекордной в мире точностью за один микроволновой импульс.
«Мы экспериментально реализовали трёхкубитный гейт CCZ напрямую, а не каскадом одно- и двухкубитных операций. При этом управление остаётся таким же простым, как и для стандартных двухкубитных вентилей: достаточно одного микроволнового импульса длительностью 65 нс, который калибруется с помощью традиционных методов — осцилляций Раби и Рамзи, позволяющих отслеживать изменения состояния кубитов под воздействием микроволнового сигнала», — рассказал научный сотрудник лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС и группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» РКЦ Григорий Мажорин.
Разработанная архитектура может стать основой для масштабирования сверхпроводниковых квантовых процессоров. По оценке учёных, созданный модуль можно интегрировать в двумерную схему, сохранив механизмы подавления нежелательных взаимодействий между её элементами. Результаты исследования опубликованы в статье.
«Мы реализовали трёхкубитную операцию с точностью 99,4% — это мировой рекорд для гейтов такого типа. Чтобы получить сопоставимый результат при разложении этой трёхкубитной операции в условиях линейной связности кубитов, потребовались бы двухкубитные гейты с точностью около 99,94% каждый. Это уровень лучших экспериментальных показателей на сверхпроводниковых устройствах, достижение которых остаётся сложной задачей», — объясняет научный сотрудник лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС и группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» РКЦ Илья Симаков.
Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030», входящей в нацпроект «Молодёжь и дети».
