Больше кубитов: как устроены два российских квантовых компьютера

В Московском государственном университете им. Ломоносова (МГУ) 11 марта состоялась вторая встреча Квантового клуба журналистов. Его участники узнали, как устроены два российских квантовых компьютера — на нейтральных атомах и на фотонах.

Инженерные задачи

В России созданы семь квантовых вычислителей на четырех наиболее перспективных физических платформах: два — на ионах, три — на сверхпроводниках, по одному — на атомах и на фотонах. Пять вычислителей разработаны в рамках дорожной карты, выполнением которой руководит «Росатом». Процессоры на атомах и фотонах находятся в Центре квантовых технологий МГУ, куда и пригласили журналистов. Кстати, всего у трех стран в мире есть вычислители на всех четырех платформах — у нас, в США и Китае.

Сейчас главная задача разработчиков — создать полезный квантовый компьютер для реальных производственных задач: расчета энергии торможения частиц в атомном реакторе, анализа финансовых рисков, комбинации молекул для новых лекарств и проч. Поэтому нужно увеличивать масштаб и точность: количество кубитов — в десятки раз, операций — в миллионы. Решения есть (например, увеличить количество кубитов помогут модульные процессоры), но их еще нужно внедрить. «Это требует не научных открытий, а кропотливой инженерной работы», — пояснил Михаил Кольченко, главный эксперт «Росатом Квантовые технологии».

Еще одна интересная инженерная задача — гетерогенная архитектура вычислителей: квантовый компьютер соединяется с классическими процессором или видеокартой, предназначенными для пре- и постобработки. Они сделают вводные данные удобными для квантового компьютера, а выходные — читаемыми для человека. Вдобавок «классики» могут в реальном времени корректировать квантовые вычисления.

Замерзшие атомы

Кубитом на одном компьютере МГУ выступает одиночный атом рубидия. Сначала атомы из паров рубидия охлаждают лазерами почти до абсолютного нуля — так тепловое движение частиц прекращается, и они замирают. Из облака атомов отдельные частицы выхватывают оптическим пинцетом. Оптический пинцет — система лазеров, которой можно разложить атомы в вакуумной камере и переносить их друг к другу. Занимает эта система почти весь стол, где находится квантовый компьютер.

Интересная особенность компьютера на нейтральных атомах — разделение вычислительного регистра на зону памяти для долгосрочного хранения информации, зону взаимодействия, где проходят операции, и зону считывания, где проводится измерение. Такая архитектура открывает новые возможности масштабирования технологии, а в будущем поможет эффективно корректировать вычисления.

Кубит закодирован во внутреннем состоянии атома. Для однокубитных операций его можно просто менять, а вот с двухкубитными сложнее: нужно заставить атомы взаимодействовать и запутываться. Чтобы такое провернуть, надо поднести их очень близко друг к другу. Здесь точности оптического пинцета не хватает — увеличивают сами атомы. Рубидий — щелочной металл, на внешней оболочке у него всего один электрон, и если перевести атом в высоковозбужденное состояние, электрон отлетит от ядра очень далеко, но все еще будет частью атома. Это называют состоянием Ридберга. Плюс квантового компьютера на нейтральных атомах в том, что они, в отличие от ионов, не отталкиваются друг от друга. Можно получить стабильную решетку и увеличивать количество атомов, а следовательно, и кубитов. Пока мощность этого компьютера МГУ — 72 кубита. Могут быть и тысячи.

Свет в конце бозонного семплера

Квантовый компьютер на фотонах — это так называемый бозонный семплер. Бозонный потому, что фотоны относятся к бозонам. Три его основных компонента — источник одиночных фотонов, интерферометр и детектор фотонов.

Одиночные фотоны излучают квантовые точки — нанометровые кристаллы, которые подчиняются законам квантовой механики. Кристаллы изготавливают в Физико-техническом институте им. Иоффе РАН. Если квантовую точку облучить лазером, она испустит строго один фотон. Фотоны попадают в интерферометр — устройство, где все фотоны проходят разные оптические пути: отражаются, рассеиваются, взаимодействуют. Маршруты фотонов буквально выжигают лазером в стекле, для каждой конкретной задачи конфигурация разная. В конце пути стоят очень точные детекторы, которые ловят фотоны в измененном состоянии, так и получается результат измерений.

Классическая задача, которую может решить бозонный семплер, — поиск наиболее плотного подграфа. Граф — это, условно говоря, набор точек, соединенных линиями (парными связями). Если взять за аналогию сообщество в соцсети, то точки — это люди, а линии — присутствие друг у друга в друзьях или обмен сообщениями. Наиболее плотный подграф в этом графе — тот, в котором у точек больше всего связей. В нашем примере это группа друзей, которые постоянно переписываются. Такие «компашки» и способен найти бозонный семплер. Подобным образом можно находить, например, финансовых мошенников или спамеров.

Хотите больше узнать о квантовых вычислителях? Такая возможность есть. Недавно подписан меморандум о создании сетевого Квантового университета, первый набор будет в этом году.

Три богатыря

Рубеж в 70 кубитов в России перешагнули три квантовых вычислителя. Это компьютер на ионах иттербия (его показывали в октябре прошлого года на первой встрече Квантового клуба) в физическом институте РАН, компьютер на ионах кальция в квантовом центре и вычислитель МГУ на нейтральных атомах рубидия, в декабре 2025 года достигший размерности 72 кубита.

Екатерина Солнцева
Директор по квантовым технологиям «Росатома»

— В рамках дорожной карты развития квантовых вычислений «Росатом» движется широким фронтом. Мы разрабатываем квантовые вычислители на ионах, нейтральных атомах, фотонах и сверхпроводниках. Ученые полагают, что каждая квантовая платформа продемонстрирует свои сильные стороны на задачах разных классов. Мы не противопоставляем квантовые компьютеры классическим. Вероятнее всего, будущее высокопроизводительных вычислений — гетерогенные системы: суперкомпьютерная часть будет органично интегрирована с квантовыми сопроцессорами, эффективно решающими специфические задачи. Важно иметь компетенции в разных платформах. И мы продолжаем эту работу.