Ученые Университета МИСИС, Российского квантового центра, ФИАН им. Лебедева и МФТИ продемонстрировали работоспособность трехуровневых квантовых систем, кутритов, сразу на двух типах отечественных квантовых процессоров — сверхпроводниковом и ионном. С помощью кутритов исследователи смоделировали неравновесный фазовый переход нарушения симметрии чётности и времени. Такая симметрия нарушается, если изолированная физическая система начинает взаимодействовать с окружающим миром, теряя при этом часть своей энергии.
Принято считать, что элементарной ячейкой квантовой информации является квантовый бит (кубит) — двухуровневая квантовая система, способная находится как в состояниях 0 или 1, так и одновременно в их суперпозиции. Однако возможности многих физических систем заметно шире и количество уровней в базовой квантовой ячейке может быть больше двух. Использование этих дополнительных уровней дает прирост производительности квантового процессора при том же количестве элементарных ячеек.
Работа российских ученых содержит в себе сразу несколько уникальных достижений. Во-первых, был выполнен алгоритм, позволивший промоделировать различные режимы затухающих колебаний некоторой абстрактной квантовой системы на квантовом процессоре. Подобная концепция уже была предложена научной группой хельсинского университета Аалто, однако, в отличие от финских коллег, нашим ученым для реализации идеи потребовался всего лишь один кутрит вместо двух полноценных кубитов, что является более экономичным решением с точки зрения ресурсов квантового процессора. Во-вторых, представленный алгоритм был успешно выполнен сразу на двух различных квантовых платформах: в ФИАН на ионах в ловушке , а в НИТУ МИСИС на сверхпроводниковом
«Для меня этот результат представляется важным, прежде всего, потому что одновременно, фактически в параллельном режиме, квантовые алгоритмы были запущены на двух совершенно разных физических платформах — сверхпроводящей и ионной — в двух ведущих российских исследовательских центрах. Идентичность результатов указывает на высокую достоверность и воспроизводимость расчетов на разных аппаратных средствах и на справедливость квантовых постулатов. Тот факт, что мы впервые использовали ионные и сверхпроводящие кутриты также выделяет данное исследование: в мире насчитывается всего несколько групп, которые овладели этим методом», — сообщил директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Николай Колачевский.
По словам директора Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС Алексея Фёдорова, это исследование крайне важно, так как демонстрирует потенциал квантовых вычислений в изучении фундаментальных физических явлений, таких как фазовые переходы. Он отметил, что реализация данного эксперимента потребовала развития экспериментальных методов контроля многоуровневыми квантовыми системами, что было успешно показано для двух разных физических платформ.
«Исследование дополнительного уровня на сверхпроводниковых кубитах представляет для нас большой интерес. Проделанная работа является важным шагом на пути к реализации защищенных логических кубитов с использованием кодов коррекции квантовых ошибок, так как именно утечка квантовой информации на этот уровень считается наиболее трудно исправляемой ошибкой. Кроме того, дополнительный уровень дает новые возможности с точки зрения выполнения квантовых алгоритмов здесь и сейчас. Например, его можно использовать для эффективной декомпозиции сложных квантовых операций таких как вентиль Тоффоли. Наконец, отдельного внимания заслуживают в принципе исследования, связанные с квантовой тернарной логикой, поскольку она позволяет при практических тех же физических ресурсах оперировать логическим пространством большой размерности», — сообщила соавтор работы, сотрудник РКЦ и лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС Алёна Казьмина.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. (Q1). Работа поддержана госкорпорацией «Росатом» в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Исследование выполнено консорциумом «Квантовый интернет», созданным в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».
«Сегодня в Университете МИСИС представлены все направления в области квантовых технологий — разработка квантовых процессоров, алгоритмы квантовых вычислений, а также квантовые коммуникации и сенсоры. Наш вуз — активный участник реализации дорожных карт „Квантовые технологии“ и „Квантовые коммуникации“. Над проектами работают ведущие исследователи мирового уровня, среди них — д.ф.-м.н. Алексей Устинов, д.ф.-м.н. Григорий Гольцман, д.ф.-м.н. Валерий Рязанов, PhD по теоретической физике Алексей Федоров. В рамках программы „Приоритет-2030“ мы сформировали и реализуем стратегический проект „Квантовый интернет“, логичным продолжением которого стало создание осенью 2023 года Института физики и квантовой инженерии в структуре вуза. Всё это позволит обеспечить университету одну из лидирующих позиций в квантовой гонке», — прокомментировала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
В дальнейшем ученые планируют продолжить разработку квантовых алгоритмов на кутритах и, в частности, исследовать методы коррекции квантовых ошибок, затрагивающие дополнительные уровни.
