Как спаять квантовый компьютер

Лектор: Алексей Устинов, научный руководитель группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» РКЦ, профессор Технологического института Карлсруэ (Германия), глава лаборатории Сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС».

В лекции речь пойдет о сверхпроводниковых квантовых цепях и устройствах. Из школьного курса про электричество мы знаем, что соединив в электрическую цепь катушку и конденсатор мы получим колебательный контур, а проще говоря электрический резонатор. Такие резонаторы используются во многих устройствах вокруг нас – радиоприемниках, компьютерах, мобильных телефонах. На первый взгляд, никакой квантовой физики в обычных резонаторах нет и быть не может. Однако это не так. Как и всякая колебательная система, электрический резонатор обладает квантовыми уровнями энергии, разность между которыми определяется частотой колебаний. Для того, чтобы обращаться с такой системой как искуственным «атомом», необходимо уменьшить, насколько это возможно, потери энергии и использовать сверхнизкие температуры. Этого можно достичь с использованием сверхпроводников. Охладив сверхпроводящий колебательный контур до температуры в несколько десятков милликельвин, можно манипулировать квантовым состоянием системы при помощи микроволн – так же, как мы возбуждаем обычные атомы с помощью света. Эта новая область науки – квантовая электродинамика цепей - использует хорошо известные законы атомной физики и квантовой оптики, обычно используемые для описания взаимодействия фотонов с атомами. Сверхпроводниковые квантовые биты (кубиты) – это своего рода искусственные «атомы», представляющие собой резонаторы из сверхпроводников и джозефсоновских переходов. Энергетический спектр похож на атомный, но расстояние между уровнями энергии соответствует не световым фотонам, а микроволновым фотонам, то есть мы имеем энергию на несколько порядков меньше.

Такие искусственные «атомы» – сверхпроводниковые кубиты – являются одними из наиболее перспективных базовых элементов будущих квантовых компьютеров, которые смогут решать задачи, недоступные даже для самых мощных современных вычислительных машин. Именно на сверхпроводниковых кубитах работают все реализованные к настоящему времени квантовые вычислительные устройства (Google, IBM, Intel, и др.). Сверхпроводящие кубиты отличает от других типов кубитов хорошая масштабируемость, стабильность во времени и контроль параметров, легкость управления и программирования. В конце 2019 года компания Google продемонстрировала так называемое квантовое превосходство, достигнув в пространстве квантовых состояний процессора из 53 сверхпроводниковых кубитов глубины вычисления, недоступной самым мощным современным классическим компьютерам. Детальное изучение и оптимизация конструкции и свойств сверхпроводниковых кубитов является сейчас одним из приоритетных направлений в современных квантовых технологиях. Целью здесь является прецизионное управление квантовыми состояниями, обеспечение условий для контролируемого взаимодействия множества кубитов и, в конечном счете, создание вычислительных устройств, позволяющих реализовывать квантовые модели и вычислительные алгоритмы.

Лекция организована при поддержке Центра НТИ по квантовым коммуникациям НИТУ «МИСиС», РКЦ, НКЛ, Блока цифровизации и Корпоративной Академии Госкорпорации «Росатом».

Видео Как спаять квантовый компьютер канала Russian Quantum Center / RQC