Высокопроизводительный восьмикубитный квантовый сопроцессор SnowDrop 8Q представил коллектив ученых из Квантум Парка — совместного кластера Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА). Инновационные решения, предложенные исследователями, позволили повысить точность двухкубитных операций, реализуемых сопроцессором, до 99,55%. В будущем этот показатель может превысить 99,9%, что важно для прикладного применения разработки. Все желающие ученые могут дистанционно протестировать возможности новинки на платформе Bauman Octillion: доступ открыт до 20 августа 2026 г.
О сопроцессоре нового поколения корреспонденту «Научной России» рассказал один из ключевых его создателей, старший научный сотрудник Квантум Парка Никита Сергеевич Смирнов:
«Мы создали этот квантовый сопроцессор для того, чтобы протестировать разработанную нами новую, полностью масштабируемую, архитектуру чипа. Нам нужно было проверить, насколько будут сохраняться точность и производительность созданной системы при увеличении количества кубитов. И нам удалось экспериментально получить желаемый результат: при увеличении числа кубитов точность операций (точность считывания) не снизилась — напротив, нам даже удалось ее повысить. В будущем при увеличении количества кубитов подобные системы, в первую очередь, позволят решать задачи, связанные с квантовой химией, моделированием молекул, что, например, пригодится при разработке лекарств. А в дальнейшем, когда технологии станут еще более совершенными, к ним прибавятся вычисления из областей финансов, оптимизации, искусственного интеллекта. На самом деле, на текущем варианте квантового сопроцессора можно запускать аналогичные задачи, но только в уменьшенных масштабах, поскольку объем решаемых задач растет экспоненциально с увеличением количества кубитов. Таким образом, уже сейчас есть возможность тестировать вышеперечисленные алгоритмы на реальных вычислительных системах».
Старший научный сотрудник Квантум Парка Никита Сергеевич Смирнов.
Фото: Дмитрий Баклыков / МГТУ им. Н.Э. Баумана
Чтобы квантовые вычислители можно было использовать для решения полноценных прикладных задач в качестве сопроцессоров классических суперкомпьютеров, нужно соблюсти несколько условий: обеспечить сверхвысокую точность двухкубитных логических операций (связывающих между собой отдельные кубиты), увеличить количество кубитов, а также их связанность. Одна из важнейших проблем существующих квантовых вычислителей — ошибки во время двухкубитных операций из-за искажений управляющих импульсов. Это ограничивает производительность квантовых систем.
Ученые из Квантум Парка разработали комплексную технологию, повышающую точность двухкубитной операции, реализуемой с помощью сверхпроводниковых кубитов. Как уже упоминалось выше, эффект сохраняется при увеличении числа кубитов и повышении их связанности. Воплощением подхода стал новый квантовый сопроцессор SnowDrop 8Q.
«Сверхпроводниковый квантовый сопроцессор напоминает своим устройством микроэлектронную схему. Он также изготавливается на кремниевой подложке, на поверхности которой формируются слои металлизации, только сделанные из сверхпроводника. В этих слоях создаются колебательные контуры, содержащие конденсаторы и элементы, отвечающие за индуктивность, — пояснил Н.С. Смирнов. — Отличие от обычной микросхемы заключается в том, что в сверхпроводниках есть особый элемент — джозефсоновский переход: именно он формирует индуктивность, позволяющую получить сам кубит, квантовый колебательный контур. Для управления к кубитам подводятся металлические “дорожки”. А сам квантовый чип помещается в специальное устройство — криостат растворения, внутри которого поддерживаются вакуум и сверхнизкие температуры — до 20 мК».
Разработка ученых сочетает два важных решения. Вместе они снижают влияние на результат нежелательных взаимодействий кубитов, повышают устойчивость системы к низкочастотным шумам и помогают упростить калибровку оборудования. Первое из них — обновленная архитектура самого процессора. Второе — особые управляющие сигналы, получившие название «импульсы “летучей мыши”» (англ. BAT, Bipolar Interleaved Amplitude-Tuned — «биполярный импульс с промежуточной подстройкой»).
График последовательности импульсов «летучей мыши».
Источник изображения: предоставлено пресс-службой МГТУ им. Н.Э. Баумана
«В этом квантовом сопроцессоре мы использовали архитектуру с управляемой связью. То есть кубиты связаны не напрямую, а при помощи специального элемента связи, позволяющего при необходимости изолировать кубиты друг от друга, или, наоборот, связать их для проведения быстрых двухкубитных взаимодействий, — отметил Н.С. Смирнов. — Мы также применили импульсы особой формы для управления как кубитами, так и элементом связи, чтобы в нужный момент приводить кубиты во взаимодействие или, напротив, отключать эту связь. При этом наш подход позволяет минимизировать помехи в этих импульсах, представляющие собой один из главных источников ошибок. В том числе именно благодаря этому нам удалось достичь высокой точности операций на новом процессоре».
Еще одно ценное преимущество новой технологии — в том, что она позволяет реализовывать квантовые алгоритмы за меньшее количество двухкубитных операций. Это облегчает вычисления и экономит ресурсы сопроцессора. Что делает это возможным? Простыми словами, новый сопроцессор не осуществляет сложную комбинацию нескольких стандартных квантовых операций для достижения результата, как это делают другие подобные системы, а гибко подстраивается под конкретную задачу. Запрос на создание такой универсальной технологии поступил от ученых-алгоритмистов ВНИИА. Сокращение квантовых программ — важное новшество: оно гарантирует, что вычисления завершатся до того, как квантовые состояния в системе разрушатся.
Во время испытаний нового сопроцессора средняя точность одновременных однокубитных операций (нацеленных на управление одним кубитом) составляла около 99,929%, двухкубитных операций — около 99,26%. А на самых эффективных парах кубитов средняя точность двухкубитных операций достигла 99,55% — на уровне лучших сверхпроводниковых квантовых сопроцессоров мира. При этом численное моделирование показало, что в будущем этот показатель возможно поднять выше 99,9%, что критически важно для применения технологии в квантовой химии, материаловедении и логистике. Ученые уже работают над усовершенствованными образцами сопроцессора.
«Мы проводили моделирование, исходя из большего времени когерентности кубитов — времени, в течение которого сохраняется их квантовое состояние. Повысить точность двухкубитных операций как раз возможно за счет увеличения “продолжительности жизни” кубитов, — поделился Н.С. Смирнов. — И мы брали не случайные заоблачные показатели, а реальные времена когерентности, которые уже сейчас получаем на одиночных кубитах. Осталось перенести уровень технологий, получаемый нами на одиночных кубитах, на наши многокубитные квантовые сопроцессоры».
Сейчас ученые перешли к этапу бета-тестирования сопроцессора, который продлится до 20 августа 2026 г. Удаленный доступ к квантовому вычислителю можно получить бесплатно после регистрации на облачной платформе Bauman Octillion. На платформе также продолжатся онлайн-эксперименты с предшественником SnowDrop 8Q — четырехкубитным квантовым сопроцессором SnowDrop 4Q.
«Уже сейчас открыт облачный доступ к новому восьмикубитному сопроцессору. Любой желающий исследователь может подключиться к платформе и провести свои тесты алгоритмов. Мы также вновь предоставим облачный доступ к четырехкубитному сопроцессору», — отметил Н.С. Смирнов.
Результаты теоретических расчетов и экспериментов приняты к публикации в научном журнале Physical Review Applied. Исследования проведены в рамках проекта «Экзафлопсные гибридные вычисления (Bauman DeepTech)» по программе «Приоритет-2030».
«Сейчас многие исследователи сходятся на том, что уже при достижении размерности примерно в 70 кубитов квантовые вычислители позволят решать задачи, которые невозможно реализовать на классическом компьютере, — заключил Н.С. Смирнов. — В результате откроется возможность проводить по-настоящему интересные физические эксперименты с помощью виртуальных симуляций — например, как я уже говорил, моделировать новые молекулы, если квантовый сопроцессор будет связан в полноценную систему с классическим суперкомпьютером. Это позволит существенно ускорить процесс вычислений».
Фото на стоп-кадре видео: Дмитрий Баклыков / МГТУ им. Н.Э. Баумана
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: Мартин Нечаев / МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Источники изображений на странице: Мартин Нечаев / МГТУ им. Н.Э. Баумана; Дмитрий Баклыков / МГТУ им. Н.Э. Баумана; предоставлено пресс-службой МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Фото на стоп-кадре видео: Дмитрий Баклыков / МГТУ им. Н.Э. Баумана.
