Выполнил запутанную задачу: в России протестирован первый 50-кубитный квантовый компьютер

Давайте еще раз разберемся, в чем принципиальное отличие квантового компьютера от обычного. Если единицей информации в классическом компьютере служит бит — элемент, который может быть либо «включен», либо «выключен», то в квантовом устройстве эту роль выполняет кубит, который может находиться в двух состояниях одновременно. Это и увеличивает его вычислительные мощности. Наиболее развитой технологией сегодня считается технология создания кубитов на основе сверхпроводниковых схем. Рекордсменом в этом классе считается 433-кубитный квантовый процессор Quantum Condor от компании IBM.

Самый мощный российский квантовый компьютер был создан уже в 2023 году, а в 2025-м, буквально на днях, успешно прошел тестовые испытания. Да, у него не 433-кубита, а всего 50, но дело, как выяснилось, даже для квантовых технологий, – не в количестве...

Как объяснили специалисты, в российском вычислителе в роли кубитов используются ионы, – цепочка из 25 ионов иттербия. Это заряженные атомы, ими заменили используемые ранее сверхпроводящие материалы. Технология ионных кубитов основана на использовании электромагнитных полей для захвата одиночных ионов в пространстве. Эти частицы подвешены в некой ловушке и остаются практически неподвижными, что снижает внешние помехи и позволяет удерживать их квантовое состояние дольше, чем в других системах.

Ионы удерживаются лазерами и охлаждаются почти до абсолютного нуля. В таком состоянии кубитами управляют посредством лазерных импульсов. Квантовые алгоритмы – это последовательности таких воздействий.

«На уровне до полусотни кубитов ионные вычислители – наиболее совершенные среди квантовых устройств, – поясняет научный сотрудник ФИАН Илья Заливако.

Еще одно новшество – увеличение достоверности вычислений за счет изменения архитектуры классических кубитов. Как пояснил один из разработчиков чудо-машины Илья Семериков, чтобы понять, какой квантовый компьютер лучше, важно учитывать сразу несколько параметров. И количество единиц информации – кубитов – лишь один из них. В компьютере разработчиков из ФИАНа их меньше, чем у мировых лидеров. Но такое малое количество единиц информации окупается высокой достоверностью одно-кубитной и двухкубитной операций.

Как же фиановцы достигли высокого качества? Дело том, что специалисты не пошли проторенной дорогой за своими западными коллегами, а решили задачу лихо, но элегантно, опробовав не простую кубитную (двухуровневую квантовую систему), а сразу четырехуровневую – кудитную, которая эффективней от 2 до 6 раз в зависимости от заложенных алгоритмов вычисления.

Архитектура кудитов выгоднее для некоторых квантовых алгоритмов, – поясняют в институте. Для нее здесь разработали и новый способ защиты ионов-кудитов от разрушения, и новые методы их охлаждения, фильтрации шумов лазера и ряд других инноваций.

Что же считали ученые на своем квантовом компьютере во время тестового испытания? К примеру, они впервые в России осуществили при помощи ионного процессора так называемые алгоритмы Гровера, которые предполагают четырехкратную скорость поиска несортированных, неупорядоченной баз данных. В ходе эксперимента они обучили при помощи квантового компьютера нейросеть сортировать написанные от руки изображения цифр.

Помимо этого, они рассчитали структуру молекул гидрида лития (LiH) и водорода (H2) и провели симуляцию ряда открытых квантовых систем, где применение кудитов дало существенный выигрыш. В общем, использовали задачи, которые в будущем позволят осуществлять реальные квантовые расчеты, к примеру, быстро распознавать лица в толпе, проверить ДНК, рассчитать точные прогнозы погоды.

Теперь о том, каким будет следующий шаг разработчиков. О нем нам рассказал директор ФИАН, академик РАН Николай Колачевский:

«Разработанный в нашем Институте квантовый компьютер – это не просто экспериментальный прототип. Это полноценная платформа для проведения исследований и решения задач. Следующий этап развития системы связан с повышением точности операций и времени когерентности (сохранения нужного состояния молекул — Авт.). Помимо этого, мы продолжаем изучать новые подходы к использованию кудитов, где являемся одними из мировых лидеров. Также осваиваем подходы к масштабированию устройств. Чтобы в будущем квантовыми компьютерами было удобно пользоваться, они должны быть более компактны, чем сейчас. Кстати, в зарубежных аналогах квантовых ионных компьютеров от американских IonQ, Quantinuum или от британской Oxford Ionics на один ион приходится только один кубит, поэтому масштабировать такие системы им будет сложнее, чем нам, имеющим теперь двухуровневую квантовую систему.