Bei NUST „MISiS“ wurde der erste Prototyp eines Quantencomputers in Russland vorgestellt. Das Gerät mit zwei Qubits führte den Grover-Quantenalgorithmus aus und überschritt die zuvor bekannte Genauigkeitsgrenze um 3%. Supraleitende Materialien wurden als Grundlage für Qubits verwendet.
Der Kryostat eines Quantencomputers, der bei NUST „MISiS“ zusammengebaut wurde.Die Arbeiten zur Schaffung eines Quantencomputers im Rahmen des Advanced Research Foundation-Projekts werden seit 2016 am NISU MISiS unter der Leitung von Valery Ryazanov durchgeführt, dem leitenden wissenschaftlichen Mitarbeiter des Superconducting Metamaterials Laboratory der Universität. Das Design beinhaltet die Verwendung von supraleitenden Materialien als Basis für Qubits.
Qubits (Quantenbits) - die
wahre Leistung eines Quantencomputers, ein Analogon zu den „Bits“ eines normalen PCs, nur viel weiter fortgeschritten. Wenn der vertraute Computer „denkt“ und als Nullen und Einsen zählt, dh jedes Informationsbit entweder als „0“ oder als „1“ codiert werden kann, hat das Qubit die Eigenschaft der sogenannten Überlagerung, die Fähigkeit, sich gleichzeitig in beiden Zuständen zu befinden. Dies eröffnet enorme Perspektiven, da ein Quantencomputer mit solchen Computerressourcen die leistungsstärksten Computergeräte um Größenordnungen überholen kann.
Ein Quantencomputer, der auf supraleitenden Materialien basiert, ist im Vergleich zu Analoga ein fortschrittlicheres System. Zum Beispiel entwickeln andere Forschungsteams Qubits an einzelnen Atomen (die aufgrund einer vernachlässigbaren Größe „verloren gehen“ können) und an Ionen (sie können ausschließlich linear aufgebaut werden, was physikalisch unpraktisch ist). Die bei NISU MISiS erstellten Qubits bestehen aus Aluminium, haben eine Größe von 300 Mikrometern, können nicht „verloren gehen“ und Sie können auch nicht linear bauen.
Während des Experiments löste ein Zwei-Qubit-Quantencomputer den Grover-Algorithmus - einen Aufzählungsalgorithmus für eine Funktion. Ein Quantencomputer kann dank des Überlagerungsprinzips im Idealfall den korrekten Wert von x bei der Lösung dieses Problems in einem Aufruf der Funktion f (x) mit einer Wahrscheinlichkeit von 100% finden.
„Der Zwei-Qubit-Algorithmus von Grover ist ein sehr wichtiger Schritt zur Schaffung eines Quantencomputers. Wir sind nicht die ersten auf der Welt, die ihre Arbeit demonstrieren, aber hier geht es hauptsächlich um technologische Errungenschaften. Wir haben die Möglichkeit aufgezeigt, alles zu implementieren, was für logische Operationen für einen universellen Quantenprozessor erforderlich ist: Initialisierung, Einzel-Qubit- und Zwei-Qubit-Operationen sowie Lesen und mit einem für kleine Algorithmen zufriedenstellenden Fehlerniveau “, sagte
Ilya Besedin, Ingenieurin im Labor für supraleitende Metamaterialien, eine der Projektteilnehmerinnen.
Die größte Schwierigkeit bei der Erstellung eines nützlichen Quantenprozessors sind Fehler. Im Gegensatz zu klassischen Computern, die jahrelang arbeiten können und immer reproduzierbare und vorhersehbare Ergebnisse liefern, sind Quantencomputer von Rauschen betroffen, das die Berechnungsergebnisse verzerrt. Trotz der Tatsache, dass der bei NUST „MISiS“ erstellte Zwei-Qubit-Prozessor zu klein ist, um angewandte Probleme zu lösen, hat er die Schwelle von 50% Wahrscheinlichkeit einer korrekten Antwort erfolgreich „überschritten“ und 53% erreicht.
Der gesamte Algorithmus besteht aus dem Initialisieren von zwei Qubits, vier Ein-Qubit-Operationen, zwei Zwei-Qubit-Operationen und dem Lesen von zwei Qubits. Fehler, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer korrekten Antwort in der Antwort verringert wird.
Der Kryostat hat vergoldete Flansche, die sich beim Abkühlen bei unterschiedlichen Temperaturen stabilisieren. Der niedrigste hat eine Temperatur von 0,01 Kelvin = -273,14 Grad Celsius.Ein Chip für einen Quantencomputer wurde an der
MSTU hergestellt. Bauman und sein Design und seine Einführung des Geräts wurden bereits bei
NUST „MISiS“ durchgeführt , wo im Labor „Supraleitende Metamaterialien“ ein einzigartiges Gerät mit Kryostaten gebaut wurde, das den Betrieb bei ultraniedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gewährleistet.
„Trotzdem haben wir noch einen langen Weg vor uns “,
fügt Ilya Besedin hinzu . -
In jüngerer Zeit kam der noch nicht offiziell veröffentlichte Google-Artikel in die Presse und konnte den Algorithmus „Quantenüberlegenheit“ auf einem supraleitenden 53-Qubit-Quantenprozessor implementieren. Die Aufgabe der "Quantenüberlegenheit" ist die günstigste Aufgabe für einen Quantencomputer, die auf einem klassischen Computer sehr schwer zu erfüllen ist. Und wenn wir das "klassische" Limit überwinden müssen - dies ist immer noch ein grundlegendes Ergebnis -, dann ist das Google-Ergebnis bereits näher an der praktischen Seite: Sie konnten eine Aufgabe formulieren und lösen, die ihr Prozessor in Minuten erledigen kann, und ein leistungsstarker Supercomputer wurde seit Wochen getestet .
"Trotzdem ist es Google noch nicht gelungen, der Tatsache näher zu kommen, dass ein Quantencomputer eine praktisch nützliche Aufgabe effektiver löst als ein klassischer. Während theoretische Vorhersagen bezüglich der rechnerischen Überlegenheit von Quantencomputern durch Experimente bestätigt werden.
Die nächsten wichtigen Schritte zur Schaffung eines nützlichen Quantencomputers sind die Demonstration von auf mehrere zehn Qubits reduzierten Versionen „nützlicher“ Quantenalgorithmen (z. B. ein Simulator einer chemischen Reaktion oder des Grundzustands eines Moleküls) und eine Demonstration der Quantenfehlerkorrektur. Genau für die Fehlerkorrektur eignen sich übrigens supraleitende Qubits am besten: Sie können in einem zweidimensionalen Gitter mit lokalen Wechselwirkungen und parallelen Gates organisiert werden, was für den „Oberflächencode“ erforderlich ist - der aus Sicht der Anforderungen und der Genauigkeit der Operationen einfachste.
„Wir wollen uns auch in diese Richtung bewegen, aber aus meiner Sicht beim Quantencomputing ist es nicht nur wichtig,„ mehr “, sondern auch„ besser “: Die supraleitenden Qubits, die wir jetzt verwenden, erweisen sich als ziemlich teuer und geben viele Fehler. Und bevor ich Hunderte und Tausende von Qubits mache, lohnt es sich meiner Meinung nach, an der grundlegendsten Einheit zu arbeiten - dem Qubit “, fasst Ilya Besedin zusammen .