Компьютер-предсказатель: зачем нужен квантовый симулятор

МИСиС, МФТИ и Российский квантовый центр (РКЦ) создают универсальный квантовый компьютер и квантовые симуляторы. О том, для чего нужны разные виды квантовых схем, рассказывает завлабораторией сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» и руководитель группы в РКЦ Алексей Устинов.

— Больше года назад в МИСиСе создали двухкубитный процессор, сейчас работаем над четырехкубитным. Следующая цель — ​процессор с более чем 30 кубитами.

Для классического суперкомпьютера предсказания свойств материала — ​неподъемная задача. Если у молекулы более 50 атомов, он уже не справится с расчетом свойств. Такое по силам только квантовому процессору, но проблема в том, что у современных образцов квантовый объем (произведение размера системы на время, которое вычислитель может делать расчеты без ошибок) пока еще небольшой.

Альтернатива для материаловедения — ​квантовые симуляторы. В отличие от квантового компьютера, который универсален, симулятор собирается под решение конкретной задачи. При моделировании квантовой системы заранее известно, что требуется сконструировать, сколько в системе атомов, как они взаимодействуют, какие явления нужно просчитать. Но квантовый симулятор подходит не во всех случаях. Например, обычный сверхпроводниковый кубит не может симулировать фермион, а это важно для расчетов свойств электронных систем. Тем не менее задачи, связанные со сверхпроводимостью, рассчитывать на симуляторах можно.

Последний эксперимент с квантовым симулятором ученые МИСиСа и МФТИ провели совместно со специалистами из РКЦ, МГТУ и ВНИИА. Аспирант МФТИ Глеб Федоров с коллегами использовали симулятор из пяти сверхпроводящих кубитов, чтобы рассчитать модель Бозе — ​Хаббарда, которая описывает переход «сверхпроводник — ​изолятор».

Численное решение модели на классическом суперкомпьютере для проверки экспериментальных данных, полученных за два часа на симуляторе, заняло около недели на 138‑ядерном вычислительном кластере ВНИИА и показало блестящее соответствие теории и измерений. Разработка систем с большим числом кубитов позволит наблюдать поведение моделей, сложность расчета которых лежит далеко за пределами возможностей большинства суперкомпьютеров.

В дорожной карте «Росатома» «Квантовые вычисления» обозначены этапы развития на ближайшие четыре года: постепенное увеличение количества кубитов в симуляторах и в универсальных вычислителях.

Эксперименты, которые проводят американские, китайские, европейские и российские ученые, представляют собой демонстрацию возможностей квантовых вычислителей. Размеры симуляторов, как и универсальных квантовых компьютеров, пока еще небольшие, а их функциональность ограничена свойствами кубитов. Пройдет еще несколько лет, прежде чем они смогут предсказывать свойства сложных материалов.