Учёные из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН сообщили об успешном завершении комплексных испытаний российского квантового компьютера с 50 кубитами, работающего на холодных ионах. Материалы об этом опубликованы в журнале «Успехи физических наук». Разработка не имеет аналогов в России и занимает достойное место среди ведущих квантовых технологий в мире.

Главной особенностью системы стало использование кудитов — кубитов с четырьмя состояниями. По сути, это можно сравнить с переходом от обычной памяти с записью двух битов в ячейку к памяти с четырьмя битами. Такой подход повышает плотность информации, но требует более сложных методов защиты от шумов и декогеренции, особенно в лазерных импульсах, управляющих квантовыми состояниями ионов.

Проект стал частью национальной дорожной карты «Квантовые вычисления», стартовавшей в 2020 году под эгидой «Росатома». Уже к октябрю 2024 года команда ФИАН собрала работоспособный прототип, а за пять лет учёные смогли не только запустить сложные квантовые алгоритмы, но и доказать возможность масштабирования решения.

По словам научного сотрудника ФИАН Ильи Заливако, одной из самых сложных задач стало управление взаимодействием кубитов для выполнения запутывающих операций. В ходе испытаний специалисты проверили ключевые параметры платформы: достоверность однокубитных и двухкубитных операций, а также время когерентности — то есть сохранения квантового состояния кудитов до его разрушения.

В российском процессоре для вычислений используется цепочка из 25 ионов иттербия (¹⁷¹Yb⁺), охлаждённых почти до абсолютного нуля и удерживаемых лазерами. Управление осуществляется с помощью высокоточных лазерных импульсов, которые запускают последовательности квантовых операций.

Архитектура кудитов открывает новые возможности для реализации квантовых алгоритмов. Для защиты сложных квантовых состояний команда разработала оригинальные методы минимизации шума и охлаждения ионов. Также были созданы новые способы фильтрации лазерных помех, что позволило повысить точность вычислений.

Практические испытания подтвердили возможности системы. Среди опробованных алгоритмов — алгоритм Гровера для поиска по неупорядоченным базам данных, моделирование молекулярных структур и динамических процессов. Также российский квантовый компьютер был применён для обучения нейросети, распознающей рукописные цифры — пример, доказывающий, что такие решения можно использовать в прикладных областях: от создания новых молекул до анализа ДНК и биометрических данных.

Как отметил директор ФИАН академик РАН Николай Колачевский, созданный квантовый компьютер не ограничивается ролью экспериментального стенда — это полноценная рабочая платформа для научных исследований и реальных расчётов. Следующая цель учёных — дальнейшее повышение точности операций, увеличение времени когерентности, развитие кудитной архитектуры и работа над серийным выпуском квантовых вычислителей.

В рамках дорожной карты запланировано создание коммерческих квантовых компьютеров. Новые устройства должны быть компактными, надёжными и требовать минимального обслуживания, что сделает их востребованными в промышленности, фармацевтике, криптографии и других сферах.